【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算? 量子科技? 量子信息處理

【中圖分類號(hào)】G322/0413? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.007

量子計(jì)算的概念

量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)的基本原理，利用并發(fā)揮量子相干、量子糾纏及量子并行等特性，以全新的方式進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息處理任務(wù)的設(shè)備。由于量子計(jì)算機(jī)對(duì)某些特定問題的求解具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的強(qiáng)大計(jì)算和模擬能力，可以為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供全新的解決方案。例如，量子計(jì)算機(jī)的超快計(jì)算能力將極大縮短對(duì)基于計(jì)算復(fù)雜度的傳統(tǒng)加密算法的破解時(shí)間，從而將對(duì)現(xiàn)有信息安全體系造成顛覆性的影響。因此，實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的研制成功極有可能引發(fā)一場(chǎng)新的科技革命。2020年10月，習(xí)近平總書記在中共中央政治局第24次集體學(xué)習(xí)中指出：“要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋?！?/p>

量子計(jì)算的概念最早由美國(guó)物理學(xué)家R. Feynman于1981年提出[1]。Feynman預(yù)見到，量子計(jì)算機(jī)相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更適合用來(lái)模擬量子物理系統(tǒng)的特性。1994年，美國(guó)物理學(xué)家P. Shor提出了首個(gè)量子算法[2]，證明量子計(jì)算機(jī)可以高效地解決大數(shù)分解問題，并可能破解廣泛使用的RSA公共密鑰體系，引發(fā)了全世界廣泛的關(guān)注。在此后的20多年間，該領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究快速發(fā)展，取得了一批令人矚目的成就，并在某些特定領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到接近實(shí)用化的突破臨界點(diǎn)。

此外，對(duì)量子計(jì)算的研究還可以擴(kuò)展經(jīng)典計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，觸及量子化學(xué)、材料科學(xué)，甚至機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)交叉學(xué)科。目前，通過量子-經(jīng)典混合方案[3][4]，實(shí)用化的量子輔助計(jì)算已經(jīng)被應(yīng)用于多種量子器件。該方案結(jié)合了經(jīng)典和量子計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，使用量子處理器計(jì)算系統(tǒng)在特定狀態(tài)下的物理觀測(cè)值，然后通過經(jīng)典反饋優(yōu)化算法。這一混合方案可用于估計(jì)分子的基態(tài)能量[5][6]，模擬量子材料[7]，以及尋找優(yōu)化問題的近似解等[8]。

對(duì)量子計(jì)算的研究還極大地促進(jìn)了量子信息處理技術(shù)水平的提高。我國(guó)與歐美等國(guó)都正在組建較大規(guī)模的長(zhǎng)程量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，而量子精密測(cè)量的相關(guān)技術(shù)也已經(jīng)開始應(yīng)用于國(guó)家安全和石油勘探等領(lǐng)域。雖然量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量的側(cè)重點(diǎn)和發(fā)展階段各有不同，但都需要具有較長(zhǎng)相干時(shí)間、且能在不同物理系統(tǒng)間高效轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)量子信息長(zhǎng)程傳輸?shù)牧孔颖忍卮鎯?chǔ)器。這一設(shè)備不僅是實(shí)現(xiàn)規(guī)模可擴(kuò)展的通用量子計(jì)算的核心部件，也可以用來(lái)制造下一代量子通訊網(wǎng)絡(luò)中具有高可信度的量子中繼器節(jié)點(diǎn)。

通用量子計(jì)算機(jī)與專用量子計(jì)算機(jī)

從設(shè)計(jì)用途角度來(lái)看，現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)大致可以分為兩類。一類是通用量子計(jì)算機(jī)，可以通過量子邏輯門電路編程，在一定誤差范圍內(nèi)執(zhí)行任意的量子算法。如IBM、Google的商用量子計(jì)算機(jī)。另一類是專用量子計(jì)算機(jī)，有時(shí)候也被稱為量子模擬器，其特點(diǎn)為運(yùn)行特定類型的量子電路，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的特定任務(wù)，不能通過量子門組合實(shí)現(xiàn)其他量子算法。如D-Wave公司推出的Ising模型量子退火機(jī)、我國(guó)的“九章”波色采樣量子專用機(jī)等。

通用量子計(jì)算機(jī)的主要發(fā)展目標(biāo)為容錯(cuò)量子計(jì)算，容錯(cuò)量子計(jì)算的核心問題在于實(shí)現(xiàn)盡可能多的可以自己檢測(cè)錯(cuò)誤與糾正錯(cuò)誤的、具有自我保護(hù)功能的容錯(cuò)計(jì)算單元，該計(jì)算單元一般被稱為邏輯量子比特。與之相對(duì)應(yīng)，不具有完整容錯(cuò)功能的計(jì)算單元，一般被稱為物理量子比特。為了實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特，目前主要有兩種思路，一種是在物理量子比特基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步提高操作保真度，減小邏輯門的操作與測(cè)量誤差，或者引入大量的冗余輔助物理量子比特與合適的量子糾錯(cuò)編碼算法，來(lái)逐步逼近直至實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特。另一種思路是從基礎(chǔ)材料的研究出發(fā)，尋找具有特殊容錯(cuò)性質(zhì)的新型量子計(jì)算載體，如基于馬約拉那費(fèi)米子的拓?fù)淞孔佑?jì)算方案。

目前已經(jīng)搭建完成的通用量子計(jì)算設(shè)備主要由物理量子比特構(gòu)成。其最重要的參數(shù)是可用于編程的量子比特?cái)?shù)目，以及在一定誤差范圍內(nèi)可連續(xù)執(zhí)行的量子邏輯門數(shù)目。目前有兩種指標(biāo)可用來(lái)度量一個(gè)通用量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力：量子體積（由美國(guó)IBM公司提出）或算法量子比特?cái)?shù)（由美國(guó)IonQ公司提出）。算法量子比特?cái)?shù)是指可用于實(shí)現(xiàn)量子算法的量子比特?cái)?shù)目。量子體積是指“設(shè)備在給定的空間和時(shí)間內(nèi)完成的量子計(jì)算的有用量”。影響量子體積的因素有很多，包括量子比特?cái)?shù)量、設(shè)備連接度、相干時(shí)間、邏輯門操作和測(cè)量誤差、設(shè)備串?dāng)_以及量子電路軟件編譯器效率等。量子體積越大，量子計(jì)算機(jī)可能解決的實(shí)際復(fù)雜問題就越多。

在算法方面，量子計(jì)算被認(rèn)為可以在兩類重要的問題中表現(xiàn)出相對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的顯著加速，包括量子搜索型算法和量子隱藏子群型算法。它們的典型代表分別為Grover算法與Shor算法。另外有一些算法——如量子計(jì)數(shù)算法——可以同時(shí)屬于這兩類。理論研究表明，Grover算法對(duì)于無(wú)結(jié)構(gòu)搜索問題具有平方加速，并且很容易通過定義映射來(lái)解決諸如數(shù)獨(dú)等實(shí)際問題。此外，Grover算法的迭代振幅放大搜索過程具有鮮明的幾何意義，易于進(jìn)一步分析與優(yōu)化，因此，在理論量子計(jì)算研究中有著重要地位。Shor算法在解決大整數(shù)分解問題時(shí)，相比于目前已有的所有經(jīng)典算法，都具有指數(shù)級(jí)的加速。而大整數(shù)分解的困難性是目前絕大多數(shù)非對(duì)稱加密算法的基礎(chǔ)。在非對(duì)稱加密算法中，公鑰和加密信息都可以在公開信道中發(fā)布，而只有持有私鑰的特定收信人才能正確的解密信息。因此，這一類算法是目前基于公共網(wǎng)絡(luò)（非專線）進(jìn)行加密通信最重要的方式。目前常用的非對(duì)稱加密算法——如RSA算法——多利用大整數(shù)分解的困難性。因此，Shor算法的實(shí)現(xiàn)可能讓公共網(wǎng)絡(luò)中的加密通信變得不再安全。假如，某國(guó)家或組織通過Shor算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)目前RSA算法的高效破解，就可以肆意竊聽所有利用該算法加密的公共網(wǎng)絡(luò)通訊。因此，能運(yùn)行大規(guī)模Shor算法的量子計(jì)算機(jī)一旦研制成功，必然會(huì)成為顛覆現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)架的信息“核武器”。這也是許多國(guó)家大力發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要原因。

如果說Shor算法是一柄鋒利的矛，可以刺破各種經(jīng)典加密通訊，那么量子通信則是一塊不可突破的盾，可以在量子算法的破解下依然保證無(wú)條件安全。我國(guó)在早期就開始大力發(fā)展量子通信產(chǎn)業(yè)。目前，基于光纖的量子保密通訊已經(jīng)實(shí)際用于各政府、銀行、企業(yè)的關(guān)鍵信道加密，基于“墨子號(hào)”衛(wèi)星的空天量子中繼保密通訊更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了國(guó)際前列。因此，即使在不遠(yuǎn)的未來(lái)有人能研制出能夠運(yùn)行大規(guī)模Shor算法的量子計(jì)算機(jī)，我國(guó)也仍然能保證關(guān)鍵通訊的安全性。

通用量子計(jì)算機(jī)以量子比特和量子門作為基本計(jì)算單元。與經(jīng)典比特相比，量子比特可以處于0和1之間的任意一個(gè)疊加態(tài)。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，當(dāng)這樣的疊加態(tài)通過一個(gè)量子門時(shí)，作用的結(jié)果也會(huì)自動(dòng)線性疊加，而并不需要人為地去把疊加態(tài)系數(shù)展開，分別計(jì)算再重新疊加起來(lái)。這種利用量子態(tài)疊加等原理的計(jì)算方案，可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)層面的指數(shù)級(jí)并行計(jì)算加速。但是，由于量子態(tài)表征的只是概率分布的概率幅，如果將實(shí)際問題中確定性的輸入和輸出直接與量子態(tài)進(jìn)行映射，本身就需要指數(shù)級(jí)復(fù)雜度的輸入（態(tài)制備）操作與輸出（測(cè)量）操作。這樣一來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)的速度優(yōu)勢(shì)就被完全消解了。所以絕大多數(shù)具有實(shí)用價(jià)值的量子算法都要經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，使得問題的輸入輸出并不和量子態(tài)直接對(duì)應(yīng)，而是利用量子態(tài)測(cè)量的特殊性質(zhì)，構(gòu)造出類似于干涉的計(jì)算過程，將原始問題的求解轉(zhuǎn)化為對(duì)干涉條紋位置的測(cè)量，以及相應(yīng)的后續(xù)處理。目前來(lái)看，通用量子計(jì)算機(jī)主要擅長(zhǎng)解決搜索類型的問題，能夠在某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算困難的搜索問題上實(shí)現(xiàn)平方級(jí)甚至指數(shù)級(jí)的加速。值得注意的是，這里指出的“搜索”是廣義的概念，既包括通常意義上無(wú)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索（原始Grover算法），也包括函數(shù)或者矩陣解空間的搜索（量子本征值求解算法，機(jī)器學(xué)習(xí)HHL算法，及基于變分法的量子化學(xué)VQE算法等），甚至還包括抽象的特殊性質(zhì)子群或者整數(shù)因子的搜索（量子傅立葉變換，Shor算法等）。這些不同類型的搜索具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是問題的輸入（待搜索空間的描述）和輸出（搜索結(jié)果）規(guī)模相對(duì)較小，而找到解的過程對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)卻是非常困難的。通俗來(lái)講，這類問題可以類比為走迷宮，求解就是尋找能走出迷宮的正確路徑，而量子計(jì)算機(jī)可以利用量子并行性高效地找到這些正確路徑。

通用量子計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)解決搜索類的問題，并不是說通用量子計(jì)算機(jī)不“通用”。首先，通用量子計(jì)算機(jī)具有完整的通用計(jì)算能力。他可以通過量子Toffoli門的組合，實(shí)現(xiàn)所有經(jīng)典可實(shí)現(xiàn)的計(jì)算，并能實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算完成不了的可逆計(jì)算。從信息熵的角度來(lái)說，只要計(jì)算過程不可逆，就必然會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱。因此，相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，通用量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算理論研究領(lǐng)域具有極大的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。其次，通用量子計(jì)算機(jī)所擅長(zhǎng)的廣義搜索問題其實(shí)涵蓋了很大一部分計(jì)算問題。最后，通用量子計(jì)算機(jī)的通用性還表現(xiàn)在，僅通過一組有限集合中的通用量子邏輯門的有限長(zhǎng)度組合，我們就可以實(shí)現(xiàn)——或者以任意精度逼近——任意的量子邏輯門操作。這個(gè)發(fā)現(xiàn)從理論上保證，人們只需要集中精力研究實(shí)現(xiàn)一小組通用量子邏輯門，就可以實(shí)現(xiàn)任意的通用量子計(jì)算。這一點(diǎn)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的構(gòu)建過程類似，即從最基本的晶體管和最簡(jiǎn)單的邏輯門電路出發(fā)，逐級(jí)從底層向上，直至構(gòu)建出各種復(fù)雜的應(yīng)用程序幫助人們解決實(shí)際問題。

關(guān)于專用量子計(jì)算機(jī)或者量子模擬器，已經(jīng)有理論指出，任何只存在局域性耦合的專用量子計(jì)算機(jī)都可以通過通用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行高效地實(shí)現(xiàn)[9]。因此，現(xiàn)有的專用量子計(jì)算機(jī)主要有兩種發(fā)展思路。第一，針對(duì)本身就需要非局域性或者全局耦合的特定問題或者量子算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。這類問題或者算法暫時(shí)無(wú)法在通用量子計(jì)算機(jī)上得到有效地實(shí)現(xiàn)，所以只能依靠專用量子計(jì)算機(jī)。例如，在具有長(zhǎng)程相互作用的量子多體系統(tǒng)的模擬問題中，由于任意兩個(gè)粒子之間都存在相互作用，在代入量子力學(xué)方程中求解時(shí)，必須要對(duì)整個(gè)稠密的態(tài)空間進(jìn)行求解。而根據(jù)量子力學(xué)基本原理，該系統(tǒng)的整體態(tài)空間是通過各成分粒子的態(tài)空間直積展開得到的，因此，整體態(tài)空間的維度將隨著粒子數(shù)指數(shù)增長(zhǎng)。舉個(gè)直觀的例子，對(duì)于一個(gè)由300個(gè)單自旋粒子組成的小規(guī)模系統(tǒng)，其態(tài)空間的維度已經(jīng)高達(dá)2^300～10^90，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可觀測(cè)宇宙中所有原子的數(shù)目（10^80）。因而，現(xiàn)有的計(jì)算手段都必須借助一些體系的特殊性質(zhì)進(jìn)行部分近似后在統(tǒng)計(jì)層面求解，并不能做到基于第一性原理的精確求解。在Feynman最初提出量子計(jì)算機(jī)的概念與設(shè)想時(shí)，他的主要?jiǎng)訖C(jī)之一就是解決這類模擬問題。事實(shí)上，F(xiàn)eynman說到，“自然界是量子的，那我們只能拿量子計(jì)算機(jī)去模擬它”。專用量子計(jì)算機(jī)的第二個(gè)發(fā)展思路，是在同等技術(shù)水平或成本要求下，通過犧牲一部分通用性換取更高的計(jì)算性能，從而能針對(duì)某些特定類型的問題實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算。因此，專用量子計(jì)算機(jī)研究的關(guān)鍵在于提高可解決問題的規(guī)模，以及尋找將更多有意義的實(shí)際問題關(guān)聯(lián)到專用模型量子電路的映射。

量子“優(yōu)越性”

所謂量子“優(yōu)越性”（Quantum supremacy，也被翻譯為量子“霸權(quán)”），最初只是一個(gè)理論計(jì)算機(jī)復(fù)雜度的提法，原意是指在量子計(jì)算機(jī)上演示完成一項(xiàng)具有顯著量子加速的任務(wù)[10]。這里所說的“顯著量子加速”具有非常高的理論嚴(yán)格性，指的是對(duì)于某個(gè)特定問題，我們可以嚴(yán)格證明量子計(jì)算機(jī)將確定性地顯著超越（至少指數(shù)加速）所有經(jīng)典算法。這里的經(jīng)典算法既包括已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的算法，也包括尚未發(fā)現(xiàn)的算法。或者說，我們需要找到一個(gè)問題，先從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格證明其經(jīng)典算法的算法復(fù)雜度，再找到一個(gè)量子算法，并證明該量子算法對(duì)所有經(jīng)典算法都存在至少指數(shù)級(jí)加速。

與之前提到的一些量子算法的例子相比，量子“優(yōu)越性”問題主要有兩點(diǎn)不同。第一，前文中的一些問題并沒有嚴(yán)格地?cái)?shù)學(xué)證明其經(jīng)典算法復(fù)雜性。例如，雖然目前所有的經(jīng)典算法在計(jì)算大整數(shù)分解問題時(shí)都非常困難，但我們也不能否認(rèn)高效經(jīng)典算法存在的可能性。換句話說，有可能存在某個(gè)尚未被發(fā)現(xiàn)的大整數(shù)分解經(jīng)典算法，可以和量子計(jì)算機(jī)上的Shor算法一樣快。因此，嚴(yán)格說來(lái)，我們只能說Shor算法很高效，但不能說他具有量子“優(yōu)越性”。第二，用于演示量子“優(yōu)越性”的問題不需要具有任何實(shí)際意義。這個(gè)問題完全可以是人為構(gòu)造的，只是為了證明經(jīng)典計(jì)算機(jī)在某些情況下一定不如量子計(jì)算機(jī)。其他的復(fù)雜問題未必可以、通常也很難歸約到這個(gè)人造問題。因此，我們需要辯證地認(rèn)識(shí)和理解量子“優(yōu)越性”。量子“優(yōu)越性”的成功演示，能夠說明量子計(jì)算機(jī)具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不具備的計(jì)算能力，代表了我們認(rèn)識(shí)上的巨大進(jìn)步。同時(shí)也要清醒地看到，量子“優(yōu)越性”并不能直接地轉(zhuǎn)化為求解實(shí)際問題的能力，而且這個(gè)轉(zhuǎn)化甚至可能永遠(yuǎn)都沒法完成。例如，Google公司在展示量子“優(yōu)越性”時(shí)采用的量子隨機(jī)電路模擬問題，以及我國(guó)“九章”量子專用機(jī)采用波色采樣模擬問題，目前都無(wú)法直接和具有應(yīng)用價(jià)值的實(shí)際問題建立聯(lián)系。

通用量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)

目前，可進(jìn)行量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的物理系統(tǒng)主要包括超導(dǎo)量子器件、離子阱、光子系統(tǒng)、量子點(diǎn)、金剛石色心、冷原子氣體、核磁共振系統(tǒng)，以及仍處于理論研究階段的拓?fù)淞孔酉到y(tǒng)等。這幾種系統(tǒng)在不同的問題研究中各有優(yōu)勢(shì)，也都存在亟待解決的關(guān)鍵難點(diǎn)。對(duì)于如何判定一種物理系統(tǒng)是否可用來(lái)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算，國(guó)際上一般使用DiVincenzo判據(jù)。該判據(jù)由D. P. DiVincenzo最早提出[11]，主要包含五個(gè)條件。

一是物理系統(tǒng)需要具有可掌控的量子比特，并具有可擴(kuò)展性（A scalable physical system with well characterized qubits）?！翱烧瓶氐牧孔颖忍亍笔侵肝覀儾粌H能夠在物理上實(shí)現(xiàn)量子比特，且該量子比特的物理參數(shù)、與其他量子比特的相互作用，以及與環(huán)境的相互作用都能夠被確定性地描述?！翱蓴U(kuò)展性”是指能夠?qū)崿F(xiàn)的量子比特?cái)?shù)量要具有一定的規(guī)模。擁有幾百到上千個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)才真正具有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)優(yōu)越的性能，且其中所有的量子比特之間應(yīng)當(dāng)能夠互相分辨、單獨(dú)操作，且可以從整體上完全掌控它們的行為。

二是能夠?qū)⒘孔颖忍爻跏蓟揭粋€(gè)簡(jiǎn)單的量子態(tài)（The ability to initialize the state of the qubits to a simple state）。這個(gè)條件包含兩方面的要求。第一，是量子計(jì)算機(jī)能夠被初始化。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該能重復(fù)使用，在開始新的量子計(jì)算任務(wù)之前必須將所有量子比特置于一個(gè)己知的態(tài)。第二，要能夠滿足量子糾錯(cuò)的要求，即在計(jì)算過程中可以源源不斷地提供“空白”的量子比特。

三是能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持量子相干性，或者說退相干時(shí)間要遠(yuǎn)大于量子邏輯門的操作時(shí)間（Long relevant coherence time， much longer than the gate operation time）。量子比特與環(huán)境的耦合會(huì)導(dǎo)致其量子相干性的喪失。人們通常把量子比特退相干時(shí)間與量子邏輯門操作時(shí)間的比率稱為品質(zhì)因子。要實(shí)現(xiàn)任何具有實(shí)際意義的量子算法，都需要量子計(jì)算機(jī)的品質(zhì)因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一。

四是能夠進(jìn)行普適的量子邏輯門操作（A universal set of quantum gates）。任意的量子幺正操作都可以通過一組普適量子邏輯門來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此該條件保證了該量子計(jì)算機(jī)可以完成任意的量子計(jì)算任務(wù)。

五是能夠進(jìn)行單量子比特的測(cè)量（A qubit specific measurement capability）。這個(gè)條件對(duì)應(yīng)于量子信息的讀出。

除以上五條外，D. P. DiVincenzo后來(lái)又添加了兩條關(guān)于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的要求，即本地量子比特和飛行量子比特能夠互相轉(zhuǎn)化（The ability to interconvert stationary and flying qubits），以及能夠在兩地間傳播飛行量子比特（The ability to faithfully transmit flying qubits between specified locations）。

上述兩條要求與量子網(wǎng)絡(luò)的研究密切相關(guān)。量子網(wǎng)絡(luò)與量子計(jì)算是量子信息科技里兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立而又聯(lián)系緊密的研究分支。二者之間的關(guān)系類似于互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系。

雖然DiVincenzo判據(jù)理解起來(lái)比較直觀，但要找到一個(gè)可以滿足全部判據(jù)的實(shí)際物理系統(tǒng)卻并不容易。從技術(shù)層面看來(lái)，有些判據(jù)甚至是相互矛盾的，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要非常仔細(xì)地尋找合適的平衡點(diǎn)。例如，延長(zhǎng)相干時(shí)間需要量子比特盡量“與世隔絕”，而幺正操作和強(qiáng)測(cè)量又要求量子比特能與量子門和探測(cè)器很好的“交流”。從DiVincenzo判據(jù)出發(fā)，我們?cè)谙卤碇兄鹨环治隽烁鞣N物理實(shí)現(xiàn)的基本原理、特色優(yōu)勢(shì)，以及關(guān)鍵難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

整體發(fā)展態(tài)勢(shì)。鑒于量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算和海量數(shù)據(jù)處理能力，美國(guó)、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家政府以及國(guó)際知名科技公司如Google、Intel、Microsoft和IBM等都發(fā)起研究計(jì)劃，斥資研發(fā)量子計(jì)算機(jī)。從上世紀(jì)90年代起，美國(guó)的多家機(jī)構(gòu)如國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）、能源部、國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（NSTC）等先后啟動(dòng)了量子科技相關(guān)規(guī)劃。2016年7月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布題為《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》的報(bào)告，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)發(fā)展量子計(jì)算的重要性。2018年，美國(guó)國(guó)會(huì)眾議院通過《國(guó)家量子倡議法案》。同年，美國(guó)政府在白宮舉辦量子峰會(huì)，并發(fā)布了《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》。2020年，白宮國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想》和《量子前沿：量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略進(jìn)展報(bào)告》，進(jìn)一步確立了美國(guó)在該領(lǐng)域開展國(guó)際對(duì)抗性博弈的發(fā)展戰(zhàn)略。目前，美國(guó)聯(lián)邦政府支持量子信息科學(xué)的研發(fā)投入每年為2億美元左右。此外，多家科技公司在量子領(lǐng)域的投資也大幅提高。歐盟委員會(huì)于2016年發(fā)布《量子宣言：量子技術(shù)旗艦計(jì)劃》，擬在10年間投入10億歐元，進(jìn)行量子通信、量子模擬、量子傳感和量子計(jì)算機(jī)方面研究。2018年，該計(jì)劃得到了進(jìn)一步細(xì)化，并在基礎(chǔ)量子科學(xué)和云計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行了擴(kuò)充。

我國(guó)在量子信息領(lǐng)域的研究起步晚于美國(guó)，但在國(guó)際上較早形成了戰(zhàn)略部署和發(fā)展規(guī)劃，因此在進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)基本保持在第一梯隊(duì)。2006年，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》將量子調(diào)控列入四個(gè)重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃。2015年，“十三五”規(guī)劃進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域的布局。2021年，《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》將量子信息確立為具有前瞻性和戰(zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目，并提出了“加快布局量子計(jì)算、量子通信、神經(jīng)芯片、DNA存儲(chǔ)等前沿技術(shù)”的要求。目前，我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的研究水平整體上依然處于跟跑狀態(tài)，但已經(jīng)形成了一個(gè)頗具發(fā)展?jié)摿Φ难芯筷?duì)伍，在主要的物理平臺(tái)完成了全面布局，并在部分方向?qū)崿F(xiàn)了突破。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)方案是目前國(guó)際進(jìn)展最快的方案。國(guó)際上絕大部分研究機(jī)構(gòu)都在美國(guó)和歐洲，其中比較有代表性的研究組有：美國(guó)的加州大學(xué)圣巴巴拉分校、耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）、加州大學(xué)伯克利分校、馬里蘭大學(xué)、芝加哥大學(xué)，以及荷蘭的代爾夫特大學(xué)（Delft）、瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）、日本的理化研究院等。此外，還有Google、IBM、Intel、D-wave、Rigetti為代表的20多家公司也積極參與該方向的研究。

目前，通用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的研制仍然處于初期的階段，主要圍繞提高廣度和深度兩個(gè)方面開展工作。廣度是可控耦合量子比特的數(shù)目，目前國(guó)際已發(fā)表的文獻(xiàn)中最好水平大約是20個(gè)。深度是指可以連續(xù)進(jìn)行的高保真度多量子比特邏輯操作次數(shù)。對(duì)于20比特的廣度，當(dāng)前最好的深度能達(dá)到40次左右。要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算，廣度和深度必須同時(shí)提高、相互配合。按照理論估計(jì)，當(dāng)達(dá)到50個(gè)比特50次操作以后，量子計(jì)算機(jī)的性能將接近甚至超越目前最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。這樣的指標(biāo)有可能在3到5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。我國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究上起步較晚，但是近幾年通過科技部、基金委、教育部以及地方政府等相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施，培育出一批優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)并做出了一些亮點(diǎn)性工作，如浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)三個(gè)單位聯(lián)合開展的十個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，清華大學(xué)在基于諧振腔光子態(tài)的量子糾錯(cuò)演示，以及近期南京大學(xué)研發(fā)的超導(dǎo)量子模擬器等。在指標(biāo)方面，我國(guó)各研究組均在快速提升。目前已發(fā)表的文獻(xiàn)中報(bào)道的廣度為20左右。從事超導(dǎo)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)有：清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南方科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所和北京量子信息科學(xué)研究院等。此外，阿里巴巴、騰訊、百度、華為、浪潮等科技公司也注意到超導(dǎo)量子計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?，紛紛設(shè)立相應(yīng)的研發(fā)部門進(jìn)行攻關(guān)。

就整體水平而言，我國(guó)與歐洲（如德國(guó)、法國(guó)、瑞士和荷蘭）和日本處在同一水平線，在部分方向略微超前。與美國(guó)的頂尖研究組相比（如耶魯大學(xué)、Google、IBM、麻省理工學(xué)院），雖然由于起步較晚，積累不足，存在一定差距，但這個(gè)差距并沒有形成代差，以現(xiàn)在的研究進(jìn)展速度衡量，約有三年左右。在正視差距、準(zhǔn)確定位不足的條件下，如果合理選擇技術(shù)路線和研究方法，通過戰(zhàn)略布局重點(diǎn)攻關(guān)，中國(guó)完全具備超車的條件。

離子阱量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。離子阱系統(tǒng)和超導(dǎo)系統(tǒng)是美國(guó)政府資助最多的兩個(gè)量子計(jì)算研究方向。除通用量子計(jì)算機(jī)以外，離子阱還被廣泛應(yīng)用于量子化學(xué)、相對(duì)論量子力學(xué)、量子熱力學(xué)等領(lǐng)域的量子模擬研究。由于離子阱在量子物理學(xué)，特別是量子計(jì)算與量子模擬上的重要意義，發(fā)明離子阱的W. Paul獲得了1989年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，第一次把離子阱技術(shù)用于演示量子計(jì)算的D.Wineland獲得了2012年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，首次提出基于離子阱量子計(jì)算理論方案的I.Cirac和P.Zoller獲得了2013年Wolf物理獎(jiǎng)。

在國(guó)際上，從20世紀(jì)90年代初人們首次嘗試將離子阱用于量子計(jì)算開始，離子阱量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)過二十余年的發(fā)展。早在2011年，奧地利因斯布魯克大學(xué)R.Blatt實(shí)驗(yàn)組就基于M?lmer-S?rensen方案實(shí)現(xiàn)了14個(gè)離子量子比特的Greenberger-Horne-Zeilinger糾纏態(tài)的創(chuàng)建。2016年，英國(guó)牛津大學(xué)D.M.Lucas實(shí)驗(yàn)組使用在室溫離子阱中鈣43離子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)作為量子比特，實(shí)現(xiàn)了保真度分別為99.9%的兩量子比特門和99.9934%的單量子比特門，顯著高于容錯(cuò)量子計(jì)算所需的99%最小閾值。最近該實(shí)驗(yàn)組實(shí)現(xiàn)了亞微秒級(jí)別且不受囚禁頻率限制的多離子量子門，大大縮小了離子阱系統(tǒng)與超導(dǎo)系統(tǒng)在量子操作速度上的劣勢(shì)。2016年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)C.Monre實(shí)驗(yàn)組展示了一個(gè)五量子比特囚禁離子量子計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)可以通過執(zhí)行任意通用量子邏輯門序列來(lái)實(shí)現(xiàn)任意的量子算法。他們將算法編譯成完全連接的一組硬件門操作，達(dá)到了98%的平均保真度，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了Deutsch-Jozsa和Bernstein-Vazirani算法，以及大數(shù)分解Shor算法的核心步驟量子傅里葉變換。最近他們還通過引入低溫制冷技術(shù)，在單個(gè)離子阱中成功穩(wěn)定囚禁超過100個(gè)離子（44個(gè)可尋址），并研制出含有53個(gè)量子比特的量子模擬器。

（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)對(duì)于離子阱量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究只有不到十年的歷史，研究團(tuán)隊(duì)主要分布于清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院精密測(cè)量院（原中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）、中國(guó)人民大學(xué)、中山大學(xué)等。2017年，清華大學(xué)交叉信息研究院研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了四個(gè)離子量子比特的高保真度任意操控，達(dá)到世界一流水平。該團(tuán)隊(duì)還成功實(shí)現(xiàn)相干時(shí)間超過10分鐘的單個(gè)量子比特，是迄今為止單量子比特相干時(shí)間的世界紀(jì)錄，將之前的世界紀(jì)錄提高了10倍?？傮w而言，國(guó)內(nèi)大部分實(shí)驗(yàn)組仍處于一到兩個(gè)比特的初期研究階段，水平有待進(jìn)一步提高。但是，國(guó)內(nèi)部分團(tuán)隊(duì)從離子光頻標(biāo)鐘精密測(cè)量方向發(fā)展而來(lái)，具有成熟的自主實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)。且研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人大多擁有國(guó)外一流研究組研究經(jīng)歷，起點(diǎn)高發(fā)展快，具備在3到5年內(nèi)追趕上國(guó)際一流水平的條件。

拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。微軟公司是國(guó)際上拓?fù)淞孔佑?jì)算方案的主要推動(dòng)者。2005年，該公司成立專門從事拓?fù)淞孔佑?jì)算研究的Station Q研究所，并長(zhǎng)期高額資助了世界上多個(gè)頂級(jí)的實(shí)驗(yàn)室主攻拓?fù)淞孔佑?jì)算科學(xué)與技術(shù)，如荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Kouwenhoven研究組和丹麥哥本哈根大學(xué)Marcus研究組等。目前，包括美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的王康隆研究組在內(nèi)的多國(guó)實(shí)驗(yàn)室均發(fā)現(xiàn)了可以構(gòu)筑拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔討B(tài)跡象。微軟公司稱有望在1到2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>

（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。拓?fù)淞孔佑?jì)算的基礎(chǔ)是對(duì)拓?fù)淞孔游飸B(tài)和效應(yīng)的研究。我國(guó)近年來(lái)在該領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，整體具備世界一流水平，在某些方向處于國(guó)際領(lǐng)先地位。例如，清華大學(xué)的薛其坤團(tuán)隊(duì)及其合作者在世界上首次實(shí)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)，在界面超導(dǎo)方面居世界領(lǐng)先地位，在基于量子反?；魻栃?yīng)的量子計(jì)算研究方向確立了技術(shù)優(yōu)勢(shì)和材料優(yōu)勢(shì)。上海交通大學(xué)的賈金鋒團(tuán)隊(duì)在拓?fù)淞孔佑?jì)算所需材料的生長(zhǎng)上有深厚積累和國(guó)際重要成果。北京大學(xué)的杜瑞瑞團(tuán)隊(duì)是量子自旋霍爾效應(yīng)的國(guó)際學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，該體系的拓?fù)涮匦苑€(wěn)定，適合開展量子計(jì)算相關(guān)研究，并且目前的技術(shù)準(zhǔn)備相對(duì)成熟。此外，我國(guó)在半導(dǎo)體納米線和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等領(lǐng)域也開展了拓?fù)淞孔佑?jì)算的國(guó)際前沿研究。與其他量子計(jì)算的系統(tǒng)不同，拓?fù)淞孔佑?jì)算是個(gè)困難前置的方案，其實(shí)現(xiàn)的最大瓶頸在于拓?fù)淞孔颖忍氐奈锢韺?shí)現(xiàn)。從這個(gè)角度講，國(guó)內(nèi)和國(guó)際的研究均剛剛開始，處于齊頭并進(jìn)的態(tài)勢(shì)。

半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。美國(guó)休斯研究院、美國(guó)普林斯頓大學(xué)、澳大利亞國(guó)家量子計(jì)算與通信技術(shù)研究中心、荷蘭代爾夫特大學(xué)和日本東京大學(xué)等均實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體兩量子比特的邏輯門操控，其中荷蘭代爾夫特大學(xué)研究組同時(shí)實(shí)現(xiàn)了量子算法演示，并已開始利用產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線進(jìn)行8寸大小的工業(yè)尺寸的半導(dǎo)體量子芯片制造。同時(shí)Intel公司和法國(guó)CEA-Leti實(shí)驗(yàn)室也開始致力于半導(dǎo)體量子芯片制造核心工藝技術(shù)的研發(fā)。

經(jīng)過近十年的發(fā)展，國(guó)際半導(dǎo)體量子計(jì)算研究領(lǐng)域已經(jīng)將獲得高質(zhì)量長(zhǎng)相干時(shí)間的量子芯片材料體系作為量子芯片研發(fā)的核心任務(wù)之一。世界范圍內(nèi)以美國(guó)、澳大利亞和歐洲為代表，均專門設(shè)立了半導(dǎo)體量子芯片材料生長(zhǎng)和表征團(tuán)隊(duì)，為國(guó)家層面的半導(dǎo)體量子計(jì)算研究提供統(tǒng)一的量子芯片材料，特別是進(jìn)入到硅純化的量子芯片材料生長(zhǎng)階段，其材料生長(zhǎng)工藝技術(shù)和材料性能已經(jīng)完全不公開。

（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)主要在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)開展。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在電荷量子比特方向先后實(shí)現(xiàn)了單、雙和三個(gè)量子比特的制備與邏輯門，完成了半導(dǎo)體量子比特邏輯單元庫(kù)的建立，同時(shí)利用微波諧振腔實(shí)現(xiàn)了多量子比特的擴(kuò)展架構(gòu)，為規(guī)?；孔有酒兄频於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ)。研究整體處于并跑狀態(tài)，在材料和測(cè)量設(shè)備環(huán)節(jié)受控于國(guó)外技術(shù)，處于跟跑狀態(tài)。北京大學(xué)的徐洪起團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體量子點(diǎn)自旋量子比特的研究中，深入研究了線性多量子點(diǎn)中的電荷與自旋量子態(tài)的構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了單電子的遠(yuǎn)距相干傳輸，為發(fā)展與當(dāng)代半導(dǎo)體技術(shù)工藝兼容的量子計(jì)算芯片技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，成果處于該領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先地位。

高質(zhì)量硅基半導(dǎo)體量子芯片材料是半導(dǎo)體量子計(jì)算研制的核心材料基礎(chǔ)，我們必須開展專門的半導(dǎo)體量子芯片材料生長(zhǎng)、表征和器件測(cè)試等相關(guān)工藝和技術(shù)開發(fā)，獲得未來(lái)量子芯片制造的核心工藝技術(shù)，為半導(dǎo)體量子芯片制造和未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的研制奠定堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。同時(shí)，國(guó)際半導(dǎo)體量子計(jì)算研究已經(jīng)到了大量工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)界進(jìn)入的新階段，國(guó)內(nèi)整體還處于實(shí)驗(yàn)室階段，需要加大工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的投入以期加速量子計(jì)算機(jī)的研制進(jìn)程。

金剛石NV色心量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。2008年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)Wrachtruo研究組和美國(guó)哈佛大學(xué)Lukin研究組同時(shí)實(shí)現(xiàn)了NV色心在納米尺度檢測(cè)直流和交流磁場(chǎng)的技術(shù)，是NV色心在量子精密測(cè)量領(lǐng)域的首次應(yīng)用。2012年，荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)Hanson研究組在NV色心系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了Grover算法的演示。同年，多個(gè)研究組報(bào)導(dǎo)了利用NV色心對(duì)弱耦合C-13的探測(cè)和相干控制，將NV色心體系可控制量子比特?cái)U(kuò)展到3-6比特。2014年，Wrachtrup研究組和Hanson研究組實(shí)現(xiàn)了NV色心系統(tǒng)中的三比特量子糾錯(cuò)算法演示。同年，Wrachtrup研究組利用最優(yōu)化控制方法，在NV色心系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高保真度糾纏態(tài)制備。2015年，Hanson研究組利用光學(xué)手段將相距1.3km的NV色心糾纏起來(lái)完成了Loophole-free Bell不等式檢驗(yàn)，并于2017年實(shí)現(xiàn)了NV色心系統(tǒng)中的糾纏態(tài)。2018年，Hanson研究組在低溫條件下將NV電子自旋相干時(shí)間延長(zhǎng)到秒量級(jí)，并探測(cè)到19個(gè)與NV耦合的C-13核自旋。

（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在NV色心量子計(jì)算的研究方向進(jìn)展良好。2010年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰研究組在NV色心系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了Deutsch-Jozsa算法演示，并于2017年實(shí)現(xiàn)了大數(shù)分解算法演示。2013年，中科院物理所潘新宇研究組在NV色心系統(tǒng)中演示了基于動(dòng)力學(xué)解耦的邏輯門控制方法。2014年，清華大學(xué)段路明研究組在NV色心體系中演示了和樂量子計(jì)算。2015年，杜江峰研究組完成了NV色心中單比特保真度0.999952和兩比特保真度0.992的量子控制，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)量子系統(tǒng)的最高紀(jì)錄。2018年，清華大學(xué)龍桂魯研究組利用與平均哈密頓量理論相結(jié)合的最優(yōu)化控制理論，去除了環(huán)境演化對(duì)量子控制的影響，首次在NV弱耦合系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化控制。

另外，我國(guó)在NV色心的其他研究領(lǐng)域——如光學(xué)方法耦合等方向的發(fā)展——落后于國(guó)際最高水平。NV色心體系中需要用到的高品質(zhì)樣品（低N雜質(zhì)樣品）及高品質(zhì)實(shí)驗(yàn)儀器（高帶寬任意波形發(fā)生器、高頻率微波源、高帶寬示波器）嚴(yán)重依賴進(jìn)口?，F(xiàn)有的NV色心單比特控制的保真度已達(dá)到0.9999，超過了量子糾錯(cuò)閾值。未來(lái)通過進(jìn)一步發(fā)展控制方法，改進(jìn)電子儀器的精度，我們有望實(shí)現(xiàn)兩比特以上操控的高保真度控制，并借助量子糾錯(cuò)算法實(shí)現(xiàn)量子邏輯比特。此外，借助光學(xué)微腔等光學(xué)結(jié)構(gòu)還可以增強(qiáng)NV色心發(fā)射光子的接受率，提高NV色心之間的耦合強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)。

核磁共振量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。核磁共振體系由于具有成熟的脈沖控制技術(shù)、長(zhǎng)相干時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，是量子算法演示、量子系統(tǒng)模擬和量子控制方法檢驗(yàn)的重要平臺(tái)，其發(fā)展出的控制方法有望方便地移植到其他量子體系中。國(guó)際上從事核磁共振量子計(jì)算的研究機(jī)構(gòu)包括加拿大滑鐵盧大學(xué)，德國(guó)多特蒙特大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)、印度理工大學(xué)等。該體系中目前可實(shí)現(xiàn)的量子比特?cái)?shù)目可達(dá)12個(gè)。該記錄由加拿大滑鐵盧大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合完成。

（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。清華大學(xué)龍桂魯研究組和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰研究組處于國(guó)際領(lǐng)先水平。其中清華研究組不僅率先演示了包括和樂量子算法等重要實(shí)驗(yàn)，發(fā)展了反饋控制優(yōu)化算法，而且利用核磁共振體系來(lái)優(yōu)化對(duì)自身系統(tǒng)的控制，提高了速度和精度。2017年10月，清華大學(xué)推出了國(guó)際上第一個(gè)基于核磁共振的量子云平臺(tái)，引起國(guó)內(nèi)外的廣泛注意和報(bào)道。中科大研究組利用核磁共振系統(tǒng)完成了大數(shù)分解、H原子能級(jí)模擬、凝聚態(tài)體系量子模擬等重要的量子算法演示和量子模擬實(shí)驗(yàn)。

冷原子量子計(jì)算方案。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。美國(guó)幾乎所有頂尖大學(xué)的物理系都設(shè)有冷原子實(shí)驗(yàn)研究小組，歐盟在這方面也投入很大。從2007年開始，美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局（DARPA）開展了為期五年的“光晶格量子模擬”項(xiàng)目，資助了美國(guó)最優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)和部分歐洲一流團(tuán)隊(duì)，促進(jìn)了技術(shù)發(fā)展。該計(jì)劃的后續(xù)效應(yīng)一直延伸到近兩年所取得的一些突破性進(jìn)展，超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子模擬初露端倪。2017年，哈佛大學(xué)研究組在80個(gè)格點(diǎn)的系統(tǒng)中模擬了強(qiáng)關(guān)聯(lián)的費(fèi)米子模型。這類量子模型被認(rèn)為是理解高溫超導(dǎo)等新奇量子特性的關(guān)鍵模型。2018年，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的聯(lián)合研究組實(shí)現(xiàn)了基于冷原子體系的51比特可編程量子模擬機(jī)，模擬了一類量子問題的動(dòng)力學(xué)行為。

（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。冷原子物理是一個(gè)需要長(zhǎng)期技術(shù)積累的研究方向。我國(guó)大規(guī)模的冷原子物理研究起步較晚，但近十年來(lái)，隨著投入的增加，已經(jīng)建成了多個(gè)比較成熟的冷原子物理實(shí)驗(yàn)室，掌握了絕大多數(shù)關(guān)鍵技術(shù)，少數(shù)最新技術(shù)也在積極跟進(jìn)當(dāng)中。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、山西大學(xué)、香港科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院武漢物數(shù)所等多家單位近年來(lái)在自旋—軌道耦合效應(yīng)的量子模擬實(shí)驗(yàn)研究中處于國(guó)際領(lǐng)先的并跑位置。清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)組近期實(shí)現(xiàn)的超過1萬(wàn)個(gè)原子的量子糾纏，在精密測(cè)量上具有重要的應(yīng)用前景。一個(gè)需要重視的現(xiàn)狀是目前國(guó)內(nèi)冷原子實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵儀器和設(shè)備都購(gòu)自歐美。特別是高性能激光器、光電控制和探測(cè)儀器等，需要在國(guó)家層次上協(xié)調(diào)大力扶持發(fā)展。在國(guó)家保持穩(wěn)定充足支持的情況下，我們可以在十年內(nèi)躋身第一集團(tuán)。

光學(xué)量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。國(guó)際上光量子計(jì)算的主要研究團(tuán)隊(duì)分布在維也納大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)研究中心、美國(guó)麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)布里斯托大學(xué)量子光學(xué)研究中心、澳大利亞昆士蘭大學(xué)量子計(jì)算與量子通信技術(shù)研究中心等科研機(jī)構(gòu)。光量子計(jì)算的研究焦點(diǎn)主要集中包括單光子源和多光子糾纏源在內(nèi)的量子光源，以及用于調(diào)控光量子比特的量子線路。

（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。作為國(guó)內(nèi)開展光量子計(jì)算的主要團(tuán)隊(duì)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究組長(zhǎng)期以來(lái)開展了系統(tǒng)性和戰(zhàn)略性的研究，取得了一系列重要成果：在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)五、六、八、十光子糾纏，始終保持著光子糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄，同時(shí)制備了國(guó)際上綜合性能最優(yōu)的單光子源，開展了光子邏輯門、容失編碼、拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)、多自由度隱形傳態(tài)等面向可擴(kuò)展量子計(jì)算的研究，首次實(shí)現(xiàn)了Shor算法演示、任意子分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)的量子模擬、求解線性方程組量子算法和量子人工智能算法等，在光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域一直保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。此外，南京大學(xué)和北京大學(xué)的研究組各自在光子芯片的研究中取得突破;山西大學(xué)研究組在連續(xù)變量光量子計(jì)算研究中也獲得一些進(jìn)展。在量子光源的研究中，我國(guó)處于國(guó)際領(lǐng)先水平;在量子線路，特別是集成光量子線路的研究中，與國(guó)際最先進(jìn)水平尚有一些差距。

近期發(fā)展趨勢(shì)

鑒于量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和在軍事國(guó)防、金融、信息安全、災(zāi)害預(yù)報(bào)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)勢(shì)在必行。目前，美歐日等發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、高校、公司，以及各種機(jī)構(gòu)都紛紛介入研發(fā)，搶占科技制高點(diǎn)，在此方向的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)到了白熱化的階段。

以目前的國(guó)際研究態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)具有容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)還很遙遠(yuǎn)，如果沒有重大理論技術(shù)創(chuàng)新，短期內(nèi)很難真正實(shí)現(xiàn)。但是，能夠展示量子加速效應(yīng)的專用量子計(jì)算機(jī)有可能在3到5年內(nèi)問世。這種專用量子計(jì)算機(jī)在某些特定的算法上能夠超越目前最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)所謂的量子“優(yōu)越性”，并在一些實(shí)際問題的求解中展現(xiàn)出應(yīng)用潛質(zhì)。

由于我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)軟硬件的研究上起步比較晚，研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。特別是實(shí)驗(yàn)條件和人才隊(duì)伍是這十幾年慢慢培養(yǎng)起來(lái)的，對(duì)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程來(lái)說，暫時(shí)不能滿足和發(fā)達(dá)國(guó)家全面競(jìng)爭(zhēng)的需要。但是這個(gè)差距并沒有完全拉開，在實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的這場(chǎng)國(guó)際馬拉松競(jìng)賽中，中國(guó)和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家都處于起跑階段。依靠和發(fā)揮我國(guó)長(zhǎng)期積累的、在物理和材料等學(xué)科的研究基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，并把這些優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化成推動(dòng)力，外加合適的科技政策引導(dǎo)，我國(guó)有望贏得這場(chǎng)顛覆性的科技競(jìng)賽。

注釋

[1]Feynman， R. P.， "Simulating physics with computers"， Int. J. Theor. Phys.21， 1982， pp. 467-488.

[2]Shor， P. W.， "Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer"， SIAM J. Comput.26， 1997， pp. 1484-1509 .

[3]McClean， J. R.; Romero， J.; Babbush， R. & Aspuru-Guzik， A.， "The theory of variational hybrid quantum-classical algorithms"， New J. Phys.18， 2016， 023023.

[4]Peruzzo， A.， et al.， "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor"，? Nat. Commun.5， 2014， pp. 1-7.

[5]Shen， Y.， et al.， "Quantum implementation of the unitary coupled cluster for simulating molecular electronic structure"，? Phys. Rev. A95， 2017， 020501.

[6]Kandala， A.， et al.， "Hardware-efficient variational quantum eigensolver for small molecules and quantum magnets"， Nature 549， 2017， pp. 242-246.

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[9]Lloyd， S.， "Universal Quantum Simulators"， Science 273， 1996， pp. 1073-1078.

[10]Aaronson， S. and Chen， L.， "Complexity-Theoretic Foundations of Quantum Supremacy Experiments， ArXiv161205903 Quant-Ph， 2016.

[11]DiVincenzo， D. and IBM.， "The Physical Implementation of Quantum Computation"， Fortschritte Phys. 48， 2000.

責(zé) 編/馬冰瑩

張威，中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系教授、博導(dǎo)。研究方向?yàn)槌淞孔託怏w、量子信息與量子計(jì)算、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系。主要著作有《Towards quantum simulation of Sachdev-Ye-Kitaev model》《Experimental Determination of PT-Symmetric Exceptional Points in a Single Trapped Ion》等。