量子计算：挑战未来 | 朱晓波

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导读

量子计算的精髓到底是什么？除量子比特数目之外，还有哪些性能对量子计算至关重要？建造实用的量子计算机为什么如此困难？“潘之队”超导量子计算负责人朱晓波教授为大家解惑。

编者按：

涵盖量子计算、量子通信、量子传感等领域的量子信息学发展迅速，因其强大的能力、广泛的应用前景而被视为“决定未来的技术”。
量子技术成为了当下世界各国新兴技术竞争的焦点。例如：10月7日，美国国家量子协调办公室发布《量子前沿》（Quantum Frontiers）报告，列出了八项重点聚焦的前沿方向：扩大量子技术造福社会的能力；建立量子工程学科；瞄准服务于量子技术的材料科学；通过量子模拟探索量子力学；利用量子信息技术进行精密测量；用于新应用的量子纠缠的产生和分发；表征和减少量子体系的错误率，迈向容错量子计算；通过量子信息理解宇宙。加拿大国家研究委员会指出，到2040年，量子技术将产生规模1424亿美元的产业，并提供大量就业机会和政府财政。10月6日，加拿大成立量子工业联盟（Quantum Industry Canada），旨在确保加拿大的量子创新和科研成就能够转化为加拿大的商业成功和经济繁荣。
人们对计算能力的需求日益增长，传统计算模式面临巨大挑战，而量子计算因其远超经典计算机的计算能力而受到很大重视。关于量子计算进展的新闻也时常吸引读者的注意，例如近期的进展新闻：霍尼韦尔公司和IonQ公司接连发布量子体积更大的量子计算机，号称推出“世界最强的量子计算机”；SQC公司提出可以实现硅原子双量子比特99.99%的超高保真度。那么，量子计算的精髓到底是什么？除量子比特数目之外，还有哪些性能对量子计算至关重要？建造实用的量子计算机为什么如此困难？“潘之队”超导量子计算负责人朱晓波教授为大家解惑。

以下文章整理自墨子沙龙“未来趋势：量子互联网”活动朱晓波教授的报告。

ps：墨子沙龙下周还将推出“未来畅想篇：如何实现100万个量子比特的纠缠和量子计算”，邀请陆朝阳教授作为客串编辑，构思了这个脑洞大开的提问，并邀请正在三个不同物理体系（光子、超冷原子、超导线路）从事研究的青年研究人员进行回答。

大家好，非常高兴参与这次上海科技节与墨子沙龙，与大家分享量子计算的知识。因为在座的有许多的高中生、初中生，甚至小学生，所以，我将花更多的篇幅介绍量子计算的相关背景知识，希望通过我的报告，让大家更多的了解什么是量子计算，以及现在的量子计算前沿走到了哪一步。

经典力学

首先我们来回顾一下经典力学的内容。初中生或高中生，只要有过一定物理基础的人都学过牛顿力学，也就是经典力学。牛顿力学是一项伟大的发现，之后人类开始可以精确描述我们的世界，物体的运动可以被预测。比如，我们可以通过牛顿力学描述月球围绕地球的运动，以及地球围绕太阳的运动，并预测月食、日食等。人们仅仅通过牛顿力学公式和万有引力公式这样两个简单的公式，就可以把我们日常观测到的世界描述清楚了。于是，到了上个世纪初，人们开始觉得物理学已经趋于完美了，物理学家就要失业了，已经没有更多新的东西需要物理学家们去探索了。

不过在物理学的上空，还飘着“两朵乌云”，这“两朵乌云”是牛顿力学或者说经典力学所解决不了的。后来大家知道，这“两朵乌云”，一朵导致了量子力学的诞生，一朵导致了相对论的诞生。爱因斯坦是天才，他提出了同样天才的相对论，而量子力学更加深奥难懂，它几乎聚集了上世纪人类所有伟大的物理学家们的智慧。如果你缺乏相关的数学知识与背景，很难依据日常世界经验去真正的理解“什么是量子力学”。但是如果我们从微观世界的物理现象出发，会发现它并没有那么难。量子力学的特点即是认为：微观世界是量子化的，不连续的，拥有不可分的最小单元，比如光子。

量子力学

举一个简单的例子。大家都知道，物体是由分子、原子构成的，原子可以分为原子核与核外电子，电子围绕着原子核转动。那么，我们思考一个问题，电子是如何围绕原子核转动的呢？它是像地球绕着太阳那样转吗？答案是否定的，如图所示，核外电子围绕原子核转动具有分立的固定能级，它只能在某些分立的特定能级上运动，这些都是物理观测结果。

数学与物理学是相反的，数学更专注于逻辑，它通过假定几条公理，可以推到出一系列的数学结果。但是物理学不一样，物理学更尊重物理事实，即观测结果，我们不能因为观测结果与理论不符，就否定观测结果。当物理学家们观测到微观世界的原子行为与描述宏观世界的经典力学不符时，物理学家们也非常苦恼，他们不知道要用一个什么样的理论去描述这样一种新的物理现象。实际上，上世纪初量子力学的建立花费了很长的时间，因为微观世界的许多现象与宏观世界很不一样。

通过许许多多物理学家们共同的努力，最终量子力学体系得以建立起来。在量子力学体系里，“轨道”不再是我们平时所理解的轨道，它不像地球围绕太阳公转的轨道那样是连续的。在量子力学体系里，“轨道”是分立的，它们代表不连续的能级。

量子力学并不是一个完美而漂亮的理论，但它是一个非常实用的理论。但凡需要描述微观世界粒子的运动，比如原子、分子等，就必须用到量子力学。比如晶体管、激光、高温超导、巨磁阻等等，如果没有量子力学，这些应用领域都不会存在，因为只有利用量子力学才能描述其物理规律。我们把用量子力学来描述、理解我们周边世界并以此发明相关应用的阶段称为“Top-down”。量子力学是对我们现代社会影响深远的一门科学。

随着科学技术的进步，现代科技的发展已经超出了人们的想象。现代量子科学技术已经可以实现单量子操作。我们把对单个量子的状态进行人工制备，对多个量子间相互作用进行主动调控称为“Bottom-up”。人工制备与操控单量子，是一个极具挑战的科学前沿。在此基础上发展出了几个重要的领域：首先是量子保密通信，量子保密通信通过对单个光子的操控来实现安全通信；第二个就是计算能力的飞跃，即我们今天要讲的主要内容——量子计算与量子模拟，其因远超经典计算机的计算能力而受到很大重视；第三个，超越经典极限的精密测量，单光子成像就是其中一种，对于一个像素它只需要一个光子，而传统成像则需要10^9个。

计算机的发展

在过去，计算机并没有像我们现在这么便捷与强大。在计算机诞生非常早的时代，为了计算一个数学问题，需要先将编写的程序用纸条打好孔，然后输入计算机，计算机处理好之后再打印出来。无论计算能力，还是操作流程，与现在计算机都不可同日而语。但是后来，随着集成电路的发展，计算机开始改变人类科技的发展。

可是，人类对于计算能力的需求，实际上是无止境的。随着计算机技术的发展，我们对计算机计算能力的需求不是减少，而是增加的。人们对于数据处理的需求在急剧上升，甚至于上升的速度远超过现在计算能力提升的速度。 

这里面涉及一个很重要的问题，就是我们现在的半导体工艺。大家都知道摩尔定律，即集成电路芯片上所集成的电路的数目每隔18个月就翻一番，也即是微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格却下降一半。但是，随着技术的发展，集成电路的数目已经要接近其量子极限了。

另外一个限制计算机性能发展的因素是能耗。现代的计算机，特别是超级计算机，能耗问题是一个更突出的问题。我们可以堆叠更多的CPU，可以拥有更强大的计算能力，但是能耗太大，仍然是不现实的。

基于以上现代计算机发展的限制，人们开始设想有没有新的计算模式，可以替代现在主流的半导体计算机模式。量子计算就是现在看起来最有前景的解决方案。

量子计算

那么，量子计算到底能够在多大程度上取代经典计算机呢？实际上，这是一个非常前沿的问题。现在的普遍认识是：量子计算机不可能完全取代经典计算机，而只能在某些有特定难度的问题上取代经典计算机。所以我们也不能把量子计算机神话，认为其是未来的全部解决方案。

我们首先通过一个比较通俗的例子来介绍量子计算机的原理，希望大家可以通过这个例子理解量子计算的本质。

量子系统与经典系统有本质区别。在经典计算机中，经典比特（我们通常就简称为比特），就是0和1，但在量子计算中，由于量子系统的特殊性，量子比特不再是一个简单的0和1，它是一个展开的二维空间。1个比特就展开一个二维的空间；如果是2个比特，则展开一个四维的空间；3个比特则是八维的空间。如果有N个比特，展开的空间就是2^N维度。这是一件非常可怕的事情，如果有300个比特的话，展开空间的维数就比宇宙的原子数目还要多了。

具备了这种指数加速能力，那么在某些问题上面，量子计算能力的提升将是可怕的。我们画一个简单的图，希望能够给出一个直观的解释。一根线，我们叫做一维，而一个面是二维的，一个立方体是三维的。大家没有办法想象四维是什么样子，但在线性代数中，其实我们很容易就会知道一个高维空间到底是什么。

举一个最简单的例子，如果你是一个二维生物，位于一个立方体上，要从一个点到另一个点，那么你只能沿着一个面走，你必须要绕一圈，没有其他办法。但是如果你是一个三维生物，可以走三维路径的话，就可以走直线过去。这只是一个三维的例子，但实际上量子计算就是利用这样一个原理：把计算的初态放到一个高维空间里，通过一系列运算，计算出最后需要到达的位置，最后再测量这个位置。这就是最基本的量子计算解释。

我们通过这样的方式，实现高速求解。现在用的最多的RSA密码，用的就是指数的加速效应，这也是现在量子计算最有用的一个例子。当然像这样的例子大家还在不停地探索，边界到底在哪里，需要大家一直不停地追求。

一个物理学家，如果他研究的体系能够构成量子比特，也就是能够构成量子二能级系统，那么他们往往就会宣称他们在做量子计算。当然，这是一件非常困难的事情。能够构成量子比特的系统有很多种，比如光子、超导、半导体、离子阱等等。现在最受追捧的就是超导量子计算，比如谷歌、IBM、腾讯、阿里等都在开展这方面的工作。接下来，我将对超导量子计算方向着重介绍。

量子计算到底有多难？

总结起来，要实现量子计算，我们一方面希望操作一个单量子，即一个量子二能级系统，另一方面，量子计算的计算能力取决于量子比特数，我们需要把N个量子比特耦合起来，来构成一个复杂的量子计算系统。所以，我们一方面希望它是一个纯净的单量子系统，另一方面又希望多个量子结合在一起，可以相互耦合起来。这本身就是矛盾的。

我们来举一个例子，比如光子，每个光子都具有非常好的量子性能，但是如果你想做量子计算，就要把很多光子结合起来，对于光子体系，这就非常困难。而超导系统有很好的可扩展性，但是要把每一个量子都做得很好却非常难。所以在这种内在的矛盾里，一定要发展一个系统，首先它有很好的量子特性，其次你又能把它扩展开来。这个才是走向量子计算的一条康庄大道，唯有如此，我们才能真正把量子计算做成功。

超导量子计算

超导量子计算是现在最受追捧的方向之一。超导是半导体、绝缘体、金属之外最重要的一个物态，其最主要的一个特点就是原则上没有能量损失。

那么通过超导，如何来实现量子计算呢？首先，我来问大家一个问题，通常我们所说的量子系统都是微观系统，那么对于一个宏观系统，如果我们可以将它的噪声或者外部扰动降低到能与一个单原子或者单分子的微观系统的扰动相当的时候，这个系统会不会服从量子力学规律呢？答案是肯定的，如果我们能够构造这么一个宏观系统，它就可以拥有量子特性。

在上世纪八九十年代，物理学家们做了一个实验，他们将一个比单原子大一万倍的超导电路的噪声降低到极低的水平，然后去测量其物理特性。实验结果表明，这个极低噪声系统的确具有量子特性。这个实验告诉我们，量子力学是普适的，不管对于宏观系统，还是微观系统，只是对于宏观系统，量子效应往往被噪声淹没。

宏观量子效应具有显著的优点，就是其可扩展性非常好，与半导体中的PN结相似，在超导体中，有一个约瑟夫森结，通过约瑟夫森结组成与半导体电路相似的电子电路，并把外部环境的噪声降低到低于单量子扰动，我们就可以得到一个一个的量子比特。当然，这是一个非常有挑战性的工作。

可见，超导量子处理器工艺与半导体芯片工艺非常相似，就是平面印刷工艺——通过印刷电感、电容和约瑟夫森结来构造量子比特。那么这项技术的难点在哪里呢？就在于怎么控制每一个量子比特不受到扰动。这也是它最难的地方。

我们平时看到的许多宣传，比如IBM宣称研制出50量子比特的原型机，DWave宣称他们已经做出了几千量子比特的量子计算机，这些宣传他们只告诉了你故事的一个方面，就是比特数，而比特数恰恰才是超导量子计算领域最容易实现的目标。因为其本质还是半导体工艺，通过半导体印刷晶体管，可以轻松实现几百、几千的比特数，如果你想，更多的比特数也没有问题。但是，这是无用的，如果没有对每个量子比特的精确操控，比特数都是徒劳。目前阶段，我们认为，一个坚实的进步是去年谷歌公司的量子优越性展示，他们大概做到了50个量子比特，每个量子比特的操控精度达到99.5%。这是量子计算目前的前沿水平。

量子计算处理器是一个对单量子态进行超高精度模拟的处理器，它要求必须达到百分之九十九点几这样高精度的控制。所以量子计算处理器几乎把我们用到的各种技术都推到了一个极致。

量子计算的核心就是量子处理器，为了实现对其高精度控制，需要把它放置在一个极低温环境中，这是因为在量子领域，温度也是噪声的一种，只有将环境温度降低到绝对零度附近，才可以降低温度所导致的系统扰动。去除干扰后，对处理器发送脉冲，就可以实现对量子比特的精确操控。这就是现代超导量子计算体系的工作机理。所以，从这个角度看，量子计算机要取代经典计算机还有很长的路要走，因为人们不可能每天扛着一个制冷机到处跑。我们预测，将来的量子计算系统会以服务器的模式出现在大家面前。

那么量子计算机究竟可以做什么呢？我们前面提到，去年谷歌公司已经实现对53个量子比特的99.4%保真度的操控，这样的一个量子计算机可以做什么呢？目前，科学家们让它应用在了“量子随机线路采样”这个问题上，并且证实它的求解速度远远超过经典计算机。但是遗憾的是，这个问题没有任何实际应用，它只是用来演示量子计算机的计算性能。下一步，科学家们希望可以找到一些实际应用问题，实现在该问题上超过经典计算机的性能。

我们最终希望可以通过“通用容错量子计算”来实现比如解密算法等等的实际应用。通用容错量子计算的核心为量子纠错，即要把错误纠正，让所有的量子比特都能正确运作起来。这是一项宏伟的计划，我们团队希望今年可以实现60比特，99.5%保真度，这实际上就是与谷歌保持同一水平。我们希望今年也可以在同一问题上实现量子优越性。在未来五年希望做到1000个量子比特，这样就能够找到一些比经典计算更快求解的实际应用。其实谷歌也提出了同样的目标，当然，这是一个极具挑战性的目标。

一个真正的通用容错的量子计算机需要100万个量子比特，精度要求为99.8%。当然这个难度相当大。我们希望与谷歌正面竞争，和他们一样，提出在未来10年做到100万量子比特。

我的报告就到这里，谢谢大家！

朱晓波：中科院百人，国家重点研发计划项目负责人。主要从事超导量子计算以及超导约瑟夫森结系统的研究。在磁通量子比特与金刚石中的NV色心的量子混合系统上做出了一系列的重要工作。先后创造了超导量子比特最大纠缠数目纪录。以一作或（共同）通讯作者在Nature，Science，Nature Physics，Physical Review Letters，Nature Communications主要顶级期刊发表论文十余篇。

扩展阅读：

背景简介：本文于2020年10月16日发表于微信公众号 墨子沙龙（量子计算：挑战未来），风云之声获授权转载。

责任编辑：杨娜