量子计算史上的72个重大时刻

光子盒研究院出品

1981年，在麻省理工学院的“物理与计算”会议上，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼应邀作了“用计算机模拟物理”的报告。费曼认为要想模拟这个量子行为的世界，就得研究微观世界的量子是如何工作的，然后建造一个按照量子力学的规律来运行的计算机才能成功模拟它。

自此，量子计算开始了漫漫征程。

1980年 | 量子图灵计算机

美国科学家保罗·贝尼奥夫（Paul Benioff）描述了计算机的第一个量子力学模型。他通过描述图灵机器的薛定谔方程，表明计算机可以在量子力学定律下运行，为量子计算的进一步工作奠定了基础。该论文于1979年6月提交，1980年4月出版。

1981年 | 量子计算机的基本模型

物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）提出了量子计算机的基本模型。他指出不可能在经典计算机上模拟量子系统，这一论点源于1964年提出的贝尔定理，他的概念借鉴了Benioff的量子图灵计算机。

1982年 | 不可克隆定理

Wootters、Zurek和Dieks在论文《单量子态不可克隆》中提出了著名的不可克隆定理，该定理的推论指出：未知量子比特不可能被精确复制，因此不可能得到与初始量子比特相同的复制比特。

1985年 | 构建通用量子计算机

牛津大学的David Deutsch发表了一篇描述通用量子计算机的理论论文，他证明了如果可以通过一组简单的操作使二态系统演化，那么，任何物理过程原则上都能很好的被量子计算机模拟。这些操作被称为量子“门”，因为它们的功能类似于经典计算机中的二进制逻辑门。

1992年 | 提出Deutsch-Jozsa算法

David Deutsch和Richard Jozsa提出Deutsch-Jozsa算法，这是最早能够证明量子计算机比任何经典计算机有着指数级加速完成计算任务的量子算法。

1994年 | 提出Shor算法

贝尔实验室的Peter Shor提出了一种分解大数质因子的算法，该算法使量子计算机能够以指数方式比最著名的经典算法更快地分解大整数。从理论上讲，Shor可以打破当今使用的许多公钥密码系统。

1994年 | 光量子计算机

Isaac Chuang和Yoshihisa Yamamoto提出量子计算机的量子光学实现，以实现Deutsch算法。

1995年 | 第一个量子逻辑门

西班牙卡斯帝里亚-拉曼查大学的Ignacio Cirac和奥地利因斯布鲁克大学的Peter Zoller提出离子阱量子比特方案。照此方案，美国国家标准与技术研究院（NIST）Chris Monroe和David Wineland展示了第一个量子逻辑门，即CNOT门。

1995年 | 第一个量子纠错方案

Peter Shor提出了第一个量子纠错方案，虽然量子信息无法复制，但是可以通过使用一个较小的冗余信息来对量子信息进行纠错，量子纠错理论让制备量子计算机的实现具有了更多可能。

1996年 | 提出Grover算法

贝尔实验室的Grover提出了量子搜索算法，使计算复杂度由经典搜索算法的降低为，实现了数据检索的二次加速。

1996年 | DiVincenzo准则

IBM的David DiVincenzo提出了必须满足以下5条标准的物理体系才有望构建可行的量子计算机：

1）定义良好的可扩展量子比特阵列；

2）初始化量子比特到简单的基准态，比如|000…>；

3）通用的量子门；

4）长的退相干时间，而且必须比门操作的时间长很多；

5）单量子比特测量。

1997年 | NMR量子计算机

麻省理工学院的David Cory、Amr Fahmy和Timothy Havel以及Neil Gershenfeld和Isaac L.Chuang发表了第一篇论文，实现了基于体核自旋共振的量子计算机的门。这项技术是基于核磁共振（NMR）机器，类似于医学磁共振成像机。

1997年 | 量子拓扑码

量子拓扑码是一种可以被嵌入到二维网格量子比特的量子纠错码，可以让所有的奇偶校验操作都得以在本地进行。第一种拓扑码是Alexei Kitaev在1997年提出的表面码，这种表面码被认为是实现可扩展性的容错量子计算机中最有实际应用可能的拓扑码。

1998年 | 首次演示量子算法

牛津大学的研究人员使用2-qubit NMR（核磁共振）量子计算机首次对量子算法（Deutsch问题）进行了实验演示，随后3-qubit NMR量子计算机首次演示Grover算法。

1998年 | 硅自旋量子计算机

现为马里兰大学教授的Bruce Kane提出了一种基于硅的核自旋量子计算机，利用硅中单个磷原子的核自旋作为量子比特，并利用施主电子来调节量子比特之间的耦合。

1998年 | 量子退火算法

东京工业大学的西森秀稔和门胁正史证明量子退火演算法的性能优于经典模拟退火。

1999年 | 超导量子比特

日本电气（NEC）研究所的蔡兆申和中村泰信采用约瑟夫森结耦合的超导电路实现了首个超导量子比特。

1999年 | 对于NMR量子计算机的质疑

Samuel L.Braunetein和合作者表明，迄今为止所进行的大量核磁共振实验都没有包含任何纠缠，因为量子态混合得太强。这被视为NMR量子计算机可能不会比传统计算机产生优势的证据。然而，纠缠是否对量子计算加速是必要的，这仍然是一个悬而未决的问题。

后来在2001年，Noah Linden和Sandu Popescu证明了纠缠的存在是大量量子协定的必要条件。这一点，加上Braunetein的结果，使NMR量子计算机的有效性受到质疑。

2000年 | 量子不可删除定理

Arun K.Pati和Samuel L.Braunstein证明了量子不可删除定理。这与“不可克隆定理”是双重的，后者表明不能删除未知量子比特的副本。与不可克隆定理一起，不可删除定理具有重要的意义，即量子信息既不能被创造也不能被破坏。

2000年 | 5-qubit和7-qubit NMR量子计算机

慕尼黑工业大学首次将第一台5-qubit NMR量子计算机投入使用。不久之后，洛斯阿拉莫斯国家实验室凭借可工作的7-qubit NMR量子计算机打破了这一记录。

2001年 | 首次演示Shor算法

这是具有里程碑意义的一年，Shor算法首次完成演示。加利福尼亚IBM Almaden研究中心的一个小组利用7-qubit NMR量子计算机成功地将15分解为5和3。

2004年 | 第一台工作的纯态NMR量子计算机

第一台工作的纯态核磁共振量子计算机（基于副氢）在牛津大学和约克大学演示。

2006年 | 12-qubit量子计算机

滑铁卢量子计算研究所、Perimeter理论物理研究所以及麻省理工学院的研究人员对第一台12-qubit量子计算机进行了基准测试。

2007年 | 中国实现六光子薛定谔猫态

中国科技大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授和同事杨涛、陆朝阳等，通过实验成功制备出国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态，刷新光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录。

2007年 | 在一对超导量子比特上实现了CNOT量子门

J. H. Plantenberg、P. C. de Groot、C. J. P. M. Harmans和J. E. Mooij演示了通过将适当频率的微波脉冲应用于一对耦合磁通量子比特，选择性地执行四个不同的CNOT量子逻辑门。两个量子比特计算基态及其叠加被用作输入，两个独立的单激发SQUID探测器测量输出状态，包括量子比特的相干。通过直接测量态转移振幅和用Ramsey干涉实验获得相应的量子相移来确定门的真值表。

2007年 | 操纵光子执行量子计算

多伦多大学(University of Toronto)的物理学家团队首次执行了量子计算，这是朝着建造第一台量子计算机迈出的重要一步。通过操纵量子机械纠缠的光子，该团队能够计算出15的质因数3和5。

2007年 | 石墨烯自旋量子比特

B. Trauzettel、Denis V. Bulaev、Daniel Loss和Guido Burkard提出了如何在石墨烯中形成自旋自旋量子比特，实现这一目标的一个关键是找到能提升石墨烯块中谷简并度的量子点态。他们发现石墨烯中的自旋量子比特不仅可以通过海森堡交换相互作用在最近邻量子点之间耦合，而且可以在长距离内耦合。

2007年 | 第一台可工作的28-qubit量子退火机

D-Wave Systems公司声称已建造了第一台可工作的28-qubit量子退火机。它在11月12日使用加利福尼亚州NASA喷气推进实验室制造的芯片对其进行演示。

2009年 | 第一个固态量子处理器

由耶鲁大学研究人员领导的团队创建了第一个基本的固态量子处理器，一种2量子比特超导芯片。他们还使用2量子比特超导芯片成功运行了基本算法，例如简单搜索，首次展示了使用固态设备进行量子信息处理。

该小组与Eugene Higgins物理学教授Steven Girvin领导的一组理论物理学家合作，制造了两个量子比特。尽管每个量子比特实际上由十亿个铝原子组成，但它的行为就像一个可以占据两种不同能态的原子。

2009年 | 量子比特的寿命延长到数百毫秒

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员首次证明，量子比特的寿命可以通过简单的操作来延长。他们通过对铍离子制成的量子比特施加特殊时间的磁脉冲，可以将量子比特的寿命从大约1毫秒延长到数百毫秒。

2009年 | 提出HHL量子算法

麻省理工学院的研究人员Seth Lloyd、Avinatan Hassidim和布里斯托大学的 Aram Harrow提出了一种求解线性方程组的新量子算法HHL，该算法可应用于图像处理、视频处理、信号处理、机器人控制、天气建模、遗传分析和种群分析。

2009年 | 谷歌利用量子计算进行图像搜索

谷歌花了三年时间开发了一种量子算法，可以自动识别和分类静止图像或视频中的物体。它借助D-Wave的量子设备，可以从20,000张照片中对汽车图像进行分类，比在谷歌数据中心运行的任何计算机都要快。

2010年 | 双光子光学芯片

布里斯托大学量子光子学中心的科学家开发了一种硅芯片，该芯片可用于使用量子粒子进行复杂的计算和模拟。研究人员使用两个相同的光子沿着硅芯片中的电路网络移动以执行量子游走。这是第一次对两个粒子进行量子游走。

2010年 | Racetrack离子阱技术

美国国家标准技术研究院（NIST）的物理学家开发并测试了一种用于捕获带电原子（离子）的装置，该装置可以同时处理数十种离子，并且具有任何离子阱所不具备的最灵活控制。

其设计新颖之处是系统地将规模扩大，从在几个位置保留几个离子阱到可以同时处理多个大型离子阱矩阵的首次尝试，其最终目标是构建实用的量子计算机。

2010年 | 开发新的量子计算机冷却方法

剑桥大学物理系的一个研究小组在《自然》杂志上撰文描述了单个被捕获的镱离子浸入中性铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚态中的过程。他们证明他们可以独立控制这两个系统，并研究它们之间的相互作用。他们还观察到了冷凝物对离子的“交感冷却”——这一效应可能最终在量子计算中被证明是有用的。

把一个镱离子放入玻色-爱因斯坦凝聚体中，它在绝对零度以上只有几十亿分之一度，可以用来冷却量子计算机。

2011年 | 第一个商用量子计算机系统

D-Wave Systems公司推出了量子退火计算机D- Wave One。这是世界上第一个可商用的量子计算机系统，售价为1000万美元。

2011年 | 14个量子比特的纠缠

Thomas Monz、Philipp Schindler、Julio T. Barreiro、Michael Chwalla等创建了一个包含了14个量子比特纠缠态的系统。通过研究多达8个离子随时间的相干性，观察到一个与量子比特数的平方成正比的衰变。观测到的衰变与理论模型一致，该模型假设系统受相关高斯相位噪声的影响。这个模型适用于大多数朝着量子计算和量子计量发展的实验系统。

2011年 | 量子处理器中演示的重复纠错

因斯布鲁克大学Philipp Schindler和Rainer Blatt等首次证明了未来量子计算机的一个关键要素:重复纠错。

在数据存储或传输过程中，干扰会导致信息失真或删除。经典计算机自动识别和纠正错误的方法被开发出来:对数据进行多次处理，如果出现错误，就选择最有可能的正确选项。由于量子系统比经典系统对环境干扰更加敏感，因此量子计算机需要一种高效的误差修正算法。

Rainer Blatt的研究小组已经在实验中演示了这种算法。物理学家利用量子物理学的特性之一，即利用量子力学纠缠来进行误差校正。

2011年 | 量子自旋霍尔拓扑绝缘体

莱斯大学的物理学家在创建了一种称为“量子自旋霍尔拓扑绝缘体”的设备，该设备就像一个能够提高容错的微型电子“高速公路”。研究人员称该设备是创建存储和操纵数据的量子粒子所需的构件之一。

2011年 | 首次证明钻石内的亚原子拥有量子记忆

来自美国和德国的科学家将钻石内单个电子里的量子信息移入邻近的单个氮原子核内，接着使用芯片上的布线让其返回。这是科学家首次证明，钻石内的亚原子也拥有量子记忆，据此可制造出亚原子存储单元，这标志着朝研制出基于钻石的量子计算机迈出了关键的一步。

2012年 | 300量子比特的量子模拟器

一个国际科学家小组与美国NIST合作，建立了世界上最大量子比特数的量子模拟器，打破了以前的量子比特数量记录。该设备已经通过了一系列基准测试，可以用来模拟量子力学中对于传统计算机而言完全难以解决的问题。科学家在Penning Trap的装置中收集了三百个铍离子，形成了二维网格，模拟器中的量子比特是每个离子最外层电子的磁自旋。

2012年 | 中国实现八光子薛定谔猫态

量子信息与量子科技前沿协同创新中心潘建伟以及同事陈宇翱、陆朝阳等在国际上首次成功实现八光子薛定谔猫态，打破了之前由该研究组保持了多年的六光子纪录，再次刷新了光子纠缠态制备的世界记录。该技术在量子计算、精密测量和量子纠错中有特别的用途。

2013年 | 量子比特储存时间延长十倍

这一具有里程碑意义的进步是打破了室温下延长量子比特储存数据时间的记录。加拿大西蒙弗雷泽大学的一个团队将量子比特所处环境的温度从-452.2华氏度升至77华氏度，而不会破坏所有这些数据。前一年创下的两秒记录被打破，现已延长至39分钟。研究人员还设法使量子比特在低温下保持三个小时的相干性。即使量子态叠加时间只有39分钟，在衰减1％之前，也可以进行超过2000万次量子计算。

2014年 | 首个使用金刚石的大规模量子计算架构

日本和奥地利的研究人员在论文中首次使用氮空位（NV）掺杂的纳米金刚石作为量子比特、可实现大规模量子信息处理的架构。

2014年 | 在离子阱量子比特上纠错

因斯布鲁克大学的科学家提出了一个实现量子纠错码的步骤，即编码分布在7个离子阱量子比特上的纠缠态中的一个量子比特。他们演示了该代码检测单比特翻转、相位翻转或两者的组合错误的能力，而不管它们发生在哪个量子比特上。

2015年 | D-Wave突破1000量子比特

D-Wave Systems公司宣布，D-Wave 2X量子退火系统突破了1000个量子比特。

2015年 | 研制成功双比特硅量子逻辑门

由澳大利亚工程师组成的团队首次在硅中构建了量子逻辑门，从而使两个量子比特的信息之间的计算成为可能，消除了使硅量子计算机成为现实的最后障碍。这一进步代表了实现超强大的硅量子计算机的承诺所需的最终物理组件，该硅量子计算机利用亚原子粒子的量子纠缠来解决即使当今最快的超级计算机也无法解决的计算难题。

2016年 | 首个量子计算云平台

IBM发布了Quantum Experience，用户可以通过云平台访问5量子比特的超导量子计算机。

2017年 | D-Wave突破2000量子比特

D-Wave Systems公司推出了D-Wave 2000Q量子退火机（2048量子比特），延续了他们每两年将量子处理器上的量子比特数量增加一倍的记录。

2017年 | IBM推出了17-qubit量子计算机

IBM宣布制造出了17量子比特的量子计算机。这款17量子比特处理器将作为IBM Q计划的一部分，用于向企业出售部分量子计算机的时间。这个更大的系统是IBM为研究人员提供的5量子比特系统的后续，该系统用于在云平台上进行量子计算模拟。

2017年 | 英特尔开发17-qubit量子超导测试芯片

英特尔已经开始制造用于量子计算机的芯片，它的量子芯片使用超导量子比特。这是由俄勒冈州实验室的研究人员与QuTech合作开发完成的，他们以现有的电路设计为基础，但是使用了根本不同的电子现象，该现象仅在非常低的温度下有效。该芯片可以处理17个量子比特，并在亚利桑那州的英特尔工厂生产。

2017年 | IBM量子计算机扩展为50量子比特

IBM宣布了一款拥有50个量子比特的量子计算机，该公司还通过其云计算平台提供了一个20量子比特系统。在50量子比特系统和20量子比特系统中，量子态都可以保留90微秒，这是行业记录，但仍然是非常短的时间。

2018年 | 量子逻辑门速度快了20到60倍

牛津大学的研究人员成功地使用一种离子阱技术，将两个带电原子放在量子纠缠状态中，使逻辑门速度比之前的记录快了20到60倍。

2018年 | 谷歌72量子比特超导芯片

谷歌宣布创建一种72量子比特超导芯片，名为Bristlecone，创下了新的纪录。

2018年 | 英特尔49量子比特超导测试芯片

在拉斯维加斯举行的2018年国际消费电子展(CES)上，英特尔宣布了其新的49量子比特超导量子芯片的设计和制造过程，芯片名为Tangle Lake。

49个量子比特的Tangle Lake芯片建立在早期的17个量子比特阵列的基础上，这些阵列拥有进行表面编码错误校正所需的最小量子比特。英特尔还开发了封装技术，以防止射频干扰量子比特，并使用倒装芯片技术，用更小、更密集的连接来获取芯片上和下的信号。

从左至右分别是，英特尔7量子比特、17量子比特、49量子比特芯片

2018年 | 2比特自旋量子处理器

荷兰代尔夫特理工大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员称，他们能够编程一个基于硅的2比特自旋量子处理器，以执行两个通常用于测试量子机器有效性的算法，其中一个可以用于搜索数据库。

2018年 | 英特尔自旋量子比特芯片

英特尔测试其用于量子计算的自旋量子比特芯片，这是同类产品中最小的芯片。该芯片是在俄勒冈州英特尔D1D Fab工厂生产的，使用了该公司用来制造传统计算机芯片的相同硅制造技术。自旋量子比特芯片的量子比特宽约50纳米，只有借助电子显微镜才能查看它们。

2018年 | 美国签署《国家量子倡议法案》

2018年12月21日，美国总统特朗普签署了《国家量子倡议法案》，确定了加速美国量子信息科技应用发展的十年计划的目标和优先事项。该法案承诺政府在最初的五年内提供12亿美元，以资助促进量子信息科学的活动，并为在该国发展未来的量子劳动力做出努力。

2018年 | 第一台商用离子阱量子计算机

IonQ推出了第一台商用离子阱量子计算机，共有160个量子比特，包含有11个完全连接的量子比特。在79量子比特长度上进行单比特门操纵，平均保真度>99%，最佳保真度>99.97%；在11量子比特长度上进行双比特门操纵，平均保真度>98%，最佳保真度>99.3%。

2019年 | IBM首台商用量子计算机

IBM推出了其首台商用量子计算机IBM Q System One，有20个量子比特。该公司表示没有出售该设备的计划，但将允许客户通过云平台执行量子计算。

2019年 | IBM推出53-qubit计算机

IBM的第14台量子计算机是功能最强大的系统，拥有53个量子比特。该系统于2019年10月份在线提供给量子计算客户，比上一台拥有20量子比特的量子计算机有了很大的进步，该系统有助于推动经典计算机与量子物理学领域的结合。

2019年 | 谷歌宣布量子霸权

谷歌在Nature上发表了一篇论文，报道他们用53个量子比特的超导量子芯片，耗时200s实现一个量子电路的采样实例，而同样的实例在当今最快的经典超级计算机上可能需要运行大约1万年，他们宣称实现了“量子霸权”，这标志着实用量子计算发展的巨大里程碑。

2020年 | 量子计算芯片首次在高于1开氏度的温度下运行

由新南威尔士大学的Andrew Dzurak教授领导的一组研究人员表明，硅自旋量子比特可以在1开氏度（-272°C）以上的温度下运行，他们利用这一突破设计了一种新型的、易于使用的量子芯片。另外，英特尔与QuTech也证明了能在高于1开氏度的温度下控制硅自旋量子比特。

虽然使用该芯片所需温度仍然很低，但只需要花费数千美元制冷，而不是数百万美元。

2020年 | D-Wave突破5000量子比特

D-Wave Systems公司表示，其最新系统突破5000量子比特，每个量子比特都与另外15个量子比特相连。

2020年 | 量子芯片中的量子噪声降低至0%

格里菲斯大学、新南威尔士大学和UTS与美国七所大学合作，通过机器学习开发量子比特的噪声消除技术，将量子芯片中的量子噪声降低到0%。

2020年 | 硅量子点中创建更高电子数的人造原子

新南威尔士州量子计算研究人员描述说，他们已经在硅量子点中创造了用于量子计算的人造原子，具有更高电子数量的人造原子作为量子比特具有更高的鲁棒性，这意味着它们可以更稳定地用于量子计算机中的计算。

2020年 | 第一个集成光子源

布里斯托大学的一个物理学家团队介绍了第一个集成光子源，它可以通过提供大量光子来使量子计算机更快地运行。在《硅量子光子学中的近理想自发光子源》一文中，该团队介绍了用硅制备的光子源，能够满足可扩展量子光子学的各种要求：高纯度、高预示效率和高不可分辨性。

研究中使用的硅光子芯片

2020年 | 相干时间延长1万倍

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家用一种简单的方法，使量子系统保持运转（相干）的时间比以前延长了1万倍。尽管他们只在固态量子比特系统上测试了这一技术，但该技术应适用于其他多种量子系统，有望彻底改变量子通信、计算和传感等领域。

除了给量子系统施加传统的电磁脉冲外，还施加了一个额外的连续交变磁场，通过精确调整该场，他们可以让电子自旋快速旋转，给其余噪音“消声”。

这一微小变化使系统相干时间保持了长达22毫秒（眨眼约需350毫秒），比未经修改系统的“寿命”高出4个数量级，也高出以往任何电子自旋系统的“寿命”。此外，该系统几乎能完全消除某些形式的温度波动、物理振动和电磁噪声，而所有这些因素通常都会破坏量子相干。

2020年 | 迄今为止最大的量子化学模拟

在科学杂志发表的一篇论文中，谷歌AI量子团队和合作者能够模拟H6、H8、H10和H12链的结合能以及二氮烯的异构化。这是迄今为止最大的量子化学模拟，最大的模拟需要12个量子比特，72个双量子比特门和114个单量子比特门。分子电子能量的Hartree-Fock计算是在谷歌的53量子比特处理器上进行的。

2020年 | 霍尼韦尔实现64和128量子体积

霍尼韦尔6量子比特HØ离子阱量子计算机，具有高保真度、完全连接的量子比特，实现了64量子体积。霍尼韦尔H1升级为10量子比特，128量子体积。

2020年 | IBM达到64量子体积和65量子比特

IBM在其27量子比特系统上实现了64量子体积，这是该公司迄今为止最高的量子体积。随后IBM在内部向IBM Q Network成员发布了65量子比特Hummingbird处理器。

2020年 | 400万量子体积

初创公司IonQ宣布制造出了世界上最强大的量子计算机，在一台拥有32个量子比特的机器上预期实现超过400万的量子体积。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。