刷爆朋友圈的量子计算机，背后究竟蕴含怎样厉害的工作？

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5月3日，中国科学院在上海召开新闻发布会，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合中国科学院物理研究所、浙江大学教授王浩华研究组、福州大学教授郑仕标研究组，正式发布了他们在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得的一系列突破性进展的成果。

第一项成果是在光学体系，潘建伟的研究团队在去年首次实现十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算原型机，并在该原型机上演示了高效率多光子玻色取样（Boson sampling）实验（玻色取样是作为证明“量子霸权”的一个典型例子）。

第二项工作是在超导线路上实现十个量子比特的纠缠和逻辑操作，这项工作打破了2015年John M. Martinis在超导线路中实现九个量子比特的操控的纪录。

第三项工作是在超导电路中利用四比特实现求解线性方程组的指数加速，这项工作是用量子计算来解决实际问题的一个尝试，对量子计算的理论研究具有一定的重要意义。

值得一提的是，在后两项工作中，即关于超导量子计算方面，我们物理所参与其中，作出了很多重要的贡献。

什么是量子计算和量子计算机？

说得高大上一点就是：Quantum computing studies theoretical computation systems (quantum computers) that make direct use of quantum-mechanical phenomena, such as superposition and entanglement, to perform operations on data (Wikipedia)。说得简单一点就是：直接运用量子力学原理，主要是态叠加原理和量子纠缠理论，进行计算或处理数据。这里，小编要强调一下（划重点）：虽然说我们现在通常用的计算机也是离不开量子力学知识的，但在那里，量子力学主要运用于晶体管和集成电路的工艺中，而并非直接用量子力学原理进行计算。

我们知道，经典计算机的信息单元是由经典比特(bit)表示的，一个经典bit只能是|0⟩或|1⟩态。而量子计算机的信息单元则是量子比特(qubit)。一个qubit不仅可以是|0⟩或|1⟩态，还能是二者的叠加态a|0⟩+b|1⟩态。对！没错，就是这样“360度”旋转无死角（聪明的你应该已经知道了，这就是江湖中传说的量子力学大法的第一原理——态叠加原理）。

同时，由量子力学的基本原理决定，量子计算机是真正的并行处理，也就是说量子计算机的计算能力是随着其qubit数的增加呈指数增长，指…数…增…长…，增…长…反正你懂的…大家可以估算一下，要想超过现在世界上已有的计算能力最强大的超级计算机的计算能力，需要多少个qubit的量子计算机就可以了（敲黑板，家庭作业）。答案是差不多50个qubit，对，没错，不要1Gb，也不要1kb，只要50b，你就可以走上世界巅峰。

不容分说，量子计算机既然拥有如此强大的计算能力，那么自然而然就成为了各个国家眼中的一块超级肥肉了，所以，大家当然挤破头也要抢着研究量子计算机啦。毕竟，无论是用于国防还是科学研究，量子计算机的应用潜力简直不要太棒棒！

然而，事情并不是说得那么简单，真要想造出可用的量子计算机，就以人类现在的工艺水平，那可不是什么简单的事啊。首先我们必须要解决以下两个最主要的问题：一个是提高系统退相干时间，量子计算机的所有运算都需要在系统退相干之前完成，所以退相干时间必须足够长；另一个是系统可扩展性问题，毕竟我们需要做多bit的量子计算机，因此，系统地扩展性自然是非常重要哒。仅仅这两个条件，就已经把现代的物理学家们愁死了，更别说还有其他一些要求了。当然目前，物理学家们认为最有潜力能造成量子计算机的系统就是超导系统和离子阱系统了。

超导量子计算

超导量子计算，作为最有潜力成功的量子计算系统之一，顾名思义就是利用超导体的一些物理性质来实现量子计算。我们知道，超导就是某些导体在低温下表现出零电阻和完全抗磁性（划重点：必须是这两种条件同时满足）的现象。超导中，存在一个非常有意思的效应，叫做约瑟夫森效应（这是由约瑟夫森最先通过理论计算，预测到的一种宏观量子效应，随后被实验证实，并因此于1973年获得诺贝尔物理学奖），即：将一个很薄的绝缘层夹在两块超导体中间，形成一个约瑟夫森结，这样该绝缘体将成为一个势垒，从而超导体中的库珀对将会遂穿过该势垒形成超导电流，从而表现出一定的物理效应。而超导量子计算就是基于约瑟夫森效应，因为基于约瑟夫森结的系统中引入了非线性，区别于谐振子，可以明确地定义二能级系统。那么，在超导量子计算中，我们该如何定义一个qubit呢？事实上，在超导体中，有三种类型的量子比特——超导相位量子比特、超导磁通量子比特和超导电荷量子比特。

第一种，超导相位量子比特。通过理论计算可知，通过调节偏置电流可将约瑟夫森结两端的势能与约瑟夫森结两端相位关系调节成下图的红线所示的形状。这样，若将相位φ看作是一个粒子在一个势场中的位置的话，那么粒子可以被囚禁在左边的势阱中，该粒子的能级也将会离散化（因为这是一个典型的束缚态），并且通过调节偏置电流，使得势阱刚好可容纳两个能级（有时候也会预留出三个能级，方便对量子态的测量和操控），这样，这两个能级便可如图中所示表示成一个量子比特。

超导相位量子比特电路图与势能图(Wikipedia)

第二种，超导磁通量子比特。将约瑟夫森结两端用超导线连接起来，形成一个带有约瑟夫森结的超导环，又叫射频超导量子干涉仪(RF SQUID)，此时我们需要考虑该超导环的电感，具体等效电路如下图所示。若该约瑟夫森结的参数合适，那么通过调节外加磁场，可以将约瑟夫森结的势能曲线调节成如下图中的红色图线（这里的调节原理主要是用的超导环中磁通是量子化的性质），这样我们便可以用势阱中获得一个二能级系统。事实上，我们通常用粒子处于左右两个势阱中的哪一个来标记量子态，从而描写一个量子比特，而这两个量子态则分别对应于超导环中有一个顺时针和逆时针的超导电流。

超导磁通量子比特电路图与势能图(Wikipedia)

第三种，超导电荷量子比特。以上两种量子比特皆是以约瑟夫森结的相位差作为变量，而电荷量子比特则是以超导体中的电子数为变量。我们将约瑟夫森结以及它的电容做得足够小，这样超导体中的电荷量便能起到作用，其等效电路图如下所示。这样，通过控制电极电压，可以让系统变成一个近似的二能级系统，能级如下图所示，从而完成一个量子比特的表示。但是，人们通常使用的两个量子态是库珀盒中的净库珀对数是0还是1（这里的库珀盒是一个中间超导区域，即图中虚线内部的区域，体积非常小，从而使得电荷的输运可以看做是一个个穿过库珀盒）。

超导电荷量子比特电路图与势能图(Wikipedia)

总结一下，超导量子比特比较容易在芯片上集成，即它的可扩展性很好，同时也可以灵活地控制参数使得它具有良好的初态制备能力，以及由于超导作为一种宏观量子行为，使得它的读出能力很强。但是，超导量子比特耦合了很多环境自由度，因此其退相干时间太短了，而且需要在极低的温度下工作，使得它资源消耗较大。

现阶段在量子计算领域，我们已经取得了一系列重大的突破，并在日趋激烈的国际竞争中抢占了先机。现在，我们可以将量子比特做得越来越多，运算速度也越来越快。我们完全可以很乐观地相信，在可预见的未来，超越现有传统计算机的量子计算机定能成为现实！并且，我们一直在努力！

编辑：Alex Yuan

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