量子计算，你可以拥有！

“20多年前，我觉得量子计算在我有生之年不可能成为现实。但是20年过去了，我觉得新量子革命正在到来、正在发生，量子计算所发展的进程比我想象的要快得多。”——中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟在2017年云栖大会上欣慰地说。

撰文 | 林梅

量子计算——一个对普通人来说有些遥远的名词，如今，你也可以披挂上阵，亲身感受它神奇的魅力。

本月22日，在合肥举办的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院（以下简称“量子创新研究院”）2018年度工作会议上，由中科院量子信息与量子科技创新研究院、阿里云等单位联合研发的11比特超导量子计算云平台正式宣布上线，这是继IBM之后全球第二家向公众提供10比特以上量子计算云服务的系统。用户只需要通过特定接口访问这台量子计算机，就可以上传需要运行的量子线路，并得到一个由量子计算给出的结果。量子计算云平台的开发，旨在从硬件的角度验证量子计算的加速性和稳定性，同时培养行业生态，推动量子计算的产业化。对于广大量子计算方面的理论研究者来说，借助这个云平台，能为自己的研究提供更多的支持和模拟，对于科学爱好者来说，也是一个近距离学习、了解量子计算的科普阵地。

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目前，可精确操纵11个比特的量子计算服务已在云端实现了经典计算仿真环境与真实量子处理器的完整后端体验，用户不仅可以在超导量子处理器上运行符合特定要求的自定义的各种量子线路，并下载运行结果，还能通过经典计算仿真，与量子处理器进行比对。测试结果显示，该量子处理器单比特门保真度平均为99.7%，双比特门平均为94.9%。

何为超导量子计算？

今天我们手中拿着的各种类型、花样百出的计算机，其实基本单元都是一个个集成化了的晶体管，每个晶体管用来表示0或者1的信息，通过各种逻辑运算，帮助我们得到想要的结果。

但是，再集成化也赶不上数字时代人们指数增长的信息计算需求。因为芯片的集成密度总有物理极限，特别是处理一些特定的复杂问题（如大数分解），现有计算机处理起来的时间可能要以成百上千年为单位了。

30年前，科学家提出了一种全新的计算方式——将传统的二进制计算逻辑“嵌入”量子体系，利用量子叠加原理，令量子比特同时处于0和1的叠加态，这样，随着比特数的增加，存储和计算的能力将指数增加！

怎么理解这种指数级加速呢？我们可以想象，对于经典计算机来说，两个比特在某一时刻只可能表示00，01，10，11四种可能性中的一种，而量子计算里，两个比特单位可以同时容纳4个值：00，01，10和11。也就是说，我们可以同时对2^N个态进行操纵。

中国有个词叫“歧路亡羊”，就是说岔路之中又有岔路的复杂迷宫中，你是很难找到目标的。而量子计算，就好比玩一种神秘的迷宫游戏，它可以利用不多的量子比特，同时幻化出很多个分身，同时在很多很多的岔路上寻找目标，在极短时间内完成任务。

在所有有望实现这种美好构想的体系中，超导，因其独特的优势，赢得了大多数科学家的青睐。

提起超导，大家想到的都是“无电阻”。其实，超导体还有很多奇妙的性质。其中，一种叫做约瑟夫森结的存在，大大拓展了超导的应用，甚至发展出了一门新兴的学科——超导电子学。

约瑟夫森结是1962年由B.D约瑟夫森预言的。这是什么现象呢？如果两块超导体通过某种方式弱连接起来，比如两块超导体中间有一个可供库珀对遂穿的超薄绝缘层，那么两块超导体之间将出现一个超导电流；而如果两端加上电压呢，通过结的电流就变成了一个交变振荡的超导电流，频率与电压成正比；再进一步，如果将两个约瑟夫森结连接成闭合环路，加以适当大小的偏置电流，超导电流将受到干涉仪中间磁场的调制。这种与电压、磁场调节相关的丰富的电学性能，令科学家们想要试图将其用在量子线路里，扮演传统电路里PN结的角色。

比如，如果我们用约瑟夫森结做成一个量子电感，在特定条件下，电子的行为处在一个量子化的、不等距的能级系统，就好像电子拥有了一个好几层楼的大别墅——它可以住在一楼，可以住在二楼，高兴了还可以两层楼同时住。只要施加一个频率等于0和1能级差的微波，就可以方便地对电子“住”在0能级和1能级进行操控。再加上超导电路的无损耗特性，人们就可以实现长相干时间的量子操控。

实际的超导量子电路，长得像这个样子：

我们用两个约瑟夫森结做成一个SQUID（图中两个X构成的部分），我们前面说过，SQUID中的电流受到所加磁场的调制，利用SQUID的这个特性，我们就可以通过施加磁场控制临界电流，进而控制好量子比特即能极差——也就是说，电子所住每层楼的间距被人为控制。

接下来，通过一个与比特失谐耦合的腔（图中由Lr和Cr构成）来读取量子比特的状态。在与比特的耦合作用下，腔的谐振频率会发生微弱的移动，移动的大小与比特的状态有关，我们只需测量腔的谐振频率附近的信号，即可实现比特状态的读取。

最后，多个比特通过邻近的电容耦合起来，就是此次超导量子处理器所用的样品。

大家可以看到，超导电子学理解起来是不是与经典电路颇有相似之处？其实，它实现起来，很多加工技术也都是借助了现有的半导体芯片加工工艺，这也是超导量子计算被科学家们看好的原因之一。

把量子计算机放进“大冰箱”

超导量子计算机是一个异常脆弱的系统，尤其是对热噪声异常的敏感。咱们前面说了，量子计算靠的就是对电子住在0能级和1能级来进行操控，这个量子比特的能级非常非常小，折算成温度大约只有48∼960mK，此外，温度稍微高一点，超导体内部都会产生损耗，所以，我们的超导计算机需要一个专用的大冰箱，让它保持在非常低的温度。

说起来，这个专用的大冰箱和我们家用的冰箱一样，也是一个热泵。只不过呢，它是利用He3/He4混合液体的浓缩相向稀释相扩散He3时的吸热来制冷的，我们可以使用一个泵来不断的抽取稀释相中的He3，同时将抽出来的He3不断液化送回浓缩相，这样就可以产生一个不断吸热的稀释制冷循环，让温度保持在10mk的低温。

超导量子计算激战正酣

对于量子计算的前景，业界普遍认为，需要达到以下几个条件，才可能实现通用的量子计算：

1.可扩展的明确定义的量子比特系统；

2.将量子比特状态初始化为简单基准态的能力，比如|000…>态；

3.比门操作时间长得多的退相干时间；

4.一组通用操作门集合；

5.能对比特进行高效的测量。

对于超导量子计算来说，已经初步达到了以上门槛，由于其与传统半导体工艺的兼容性，Google、IBM、NASA等商业巨头纷纷布局这一复杂深奥的计算领域。

关于量子计算的前景，主流的观点认为，当可以精确操纵的量子比特超过一定数目，量子计算机就能在特定任务上令经典计算机望尘莫及，也就是说，在有限时间或空间约束下，比任何一台经典计算机做得好很多。这就是美国加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔提出的量子霸权（quantum supremacy）。

谷歌在超导量子技术方面拥有最好的积累，作为“量子霸权”概念的践行者，提出量子随机线路的算法，谷歌估计，这个实现量子霸权的量子比特数目大约是49[1]。

去年十月，谷歌的竞争者——美国IBM在arXiv公布了一篇文章，声称实现深度为27的49比特线路和深度为23的56比特线路的经典仿真[2]，意图证明49个比特远不能实现量子霸权，进而推翻谷歌利用49个比特实现量子霸权的计划。

IBM的挑衅很快被谷歌迎头痛击。两个月之后，谷歌同样在arXiv跟进一篇文章，指出量子比特数目只是量子霸权的一个方面，同样重要的量子线路深度也需要同时考虑。谷歌声称，他们最早提出来的量子霸权路线图[1]并没有被IBM攻破，因为文中很清楚地提到量子比特数目达到49，同时量子线路的深度也要达到49。谷歌进一步给出了不同量子比特数目和不同线路深度下的详细测试结果，说明，如果量子线路深度只有19，即使达到100个量子比特，也是可以被经典模拟的[3]。

《Nature》报道援引Martinis本人回应以及MIT 计算机科学权威Scott Aaronson的评价，认为该论文并未削弱“量子霸权”实验的合理性，反而证明了Google已规划的“量子霸权”测试的前提[4]。

根据谷歌2017年12月给出的数据，经典计算机模拟量子比特所需要的时间，与比特数和深度两个指标都密切相关。从测试结果看，经典仿真具有100个量子比特、深度为20的量子线路和具有25个量子比特深度为45的难度是类似的。因此在宣布的时候不能只谈论量子比特数目。这就如同如果无法实现N的量子比特的纠缠，只说芯片上的量子比特数目是没有意义的。

在量子线路的经典仿真方面，国内也有不少小组跟进研究，其中中国科大的郭光灿院士带领的团队利用经典计算机对复杂量子比特线路进行了理论模拟，实现了深度为22的64比特线路的经典仿真[5]。该结果也在2月22日的中科院量子创新研究院年度工作会议上进行了发布。

也就是说，现有实验数据都显示出量子霸权的前景，人们目前的任何一台经典计算机都无法和具有合理量子线路深度的50个量子比特以上的量子计算机一较高下。在这场激烈的竞争中，谁都希望率先把自己的旗帜插上高地。中国的团队自然也不例外。

去年，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事朱晓波、陆朝阳等，联合浙江大学王浩华教授研究组，在超导体系首次实现了十个超导量子比特的纠缠[6]，并在此基础上实现了快速求解线性方程组的量子算法[7]。

此次上线的这台量子计算机，是中国量子人自主研发的首个为公众提供有11个超导量子比特量子计算服务的云计算平台，可以实现单比特操作，双比特操作和多比特读取等多种操作组合成的量子线路。测试结果显示，计算时间、保真度等重要性能指标与IBM量子云相当。

据悉，该团队在实验室中已经将双比特门的保真度提高到了99%以上，同时已经交付并初步测试了24个超导量子比特的处理器。未来，科研人员将持续提高云平台性能，为用户提供更多比特、更高精度的量子计算服务。

中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟认为，量子计算具有划时代的意义。量子力学催生了第三次产业变革，目前它又为了解决大数据带来的计算能力瓶颈问题做好了准备。

量子计算凭借超快的计算能力，在例如人工智能，量子模拟，药物开发，量子优化等特殊问题的求解能力上，有望真正超越“超级计算机”。中国在这场角逐中，有着自己的线路图，中国科学家希望未来几年的时间内，实现对50个量子比特的操纵，实现“量子霸权”。

感谢郑亚锐、艾科夫对本文的帮助。

[1] Sergio Boixo, Sergei V. Isakov, Vadim N. Smelyanskiy, Ryan Babbush, Nan Ding, Zhang Jiang, Michael J. Bremner, John M. Martinis, Hartmut Neven, Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices,arXiv:1608.00263 (2016).

[2] Edwin Pednault, John A. Gunnels, Giacomo Nannicini, Lior Horesh, Thomas Magerlein, Edgar Solomonik, Robert Wisnieff，Breaking the 49-Qubit Barrier in the Simulation of QuantumCircuits，arXiv:1710.05867

[3]Sergio Boixo, Sergei V. Isakov, Vadim N. Smelyanskiy, Hartmut Neven,Simulation of low-depth quantum circuits as complex undirected graphical models, arXiv:1712.05384

[5]Zhaoyun Chen, Qi Zhou, Cheng Xue, Xia Yang, Guangcan Guo, Guoping Guo,64-Qubit Quantum Circuit Simulation, arXiv:1802.06952

[6] Chao Song, Kai Xu, Wuxin Liu, Chuiping Yang, Shi-Biao Zheng, Hui Deng, Qiwei Xie, Keqiang Huang, Qiujiang Guo, Libo Zhang, Pengfei Zhang, Da Xu, Dongning Zheng, Xiaobo Zhu, H. Wang, Y.-A. Chen, C.-Y. Lu, Siyuan Han, J.-W. Pan, 10-Qubit Entanglement and Parallel Logic Operations with a Superconducting Circuit, Phys. Rev. Lett., 119 (2017), 180511

[7] Yarui Zheng, Chao Song, Ming-Cheng Chen, Benxiang Xia, Wuxin Liu, Qiujiang Guo, Libo Zhang, Da Xu, Hui Deng, Keqiang Huang, Yulin Wu, Zhiguang Yan, Dongning Zheng, Li Lu, Jian-Wei Pan, H. Wang, Chao-Yang Lu, Xiaobo Zhu, Solving Systems of Linear Equations with a Superconducting Quantum Processor, Phys. Rev. Lett., 118 (2017), 210504

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