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量子科技进行时：实现普适量子计算机仍是一个长期目标
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今年10月16日，中共中央政治局第二十四次集体学习中，习近平总书记在主持学习时强调，深刻认识推进量子科技发展重大意义，加强量子科技发展战略谋划和系统布局。以量子计算为代表的量子科技被提升到国家战略的高度。
量子计算机作为未来量子科技时代最具颠覆性的技术，已成为近年各国研究的热点，其研发主体也逐渐从科研院所转变为企业，量子计算领域的发展已进入到新的关键阶段。
本文将回顾量子计算机的诞生史，介绍量子算法与量子计算模型，阐述量子计算机的物理实现，讨论量子编码的重要作用，并展望未来，提出对量子霸权的思考。
现代信息技术与产业的发展得益于微电子工艺与技术的不断提高。
电子计算机作为这一时代的标志性产品，极大地推动了人类社会的发展。
随着微电子芯片的集成度越来越高，当晶体管尺寸以及电子线路的距离达到原子量级时，电子的量子效应将不可忽略。
此外，芯片的集成度越高，单位面积上非可逆运算产生的热量就越多，发热问题也将成为限制微电子集成电路发展的瓶颈。
量子计算机由于其计算的可逆特性，不会因非可逆操作而带来热量。
更重要的是，量子计算机在原理上就有别于经典计算机，在解决某些困难问题时，相比经典计算机具有压倒性优势。
最早关于量子计算的设想由Feynman在1982年提出，他认为可以用简单（易操作的）标准量子系统实现对复杂量子系统的模拟，进而可以解决以量子多体物理问题为代表的经典计算机无法有效解决的问题。
1985年，Deutsch提出量子图灵机的概念，指出经典计算机能够实现的计算功能在量子模型下也能实现，奠定了通用量子计算机的基础。
1992年，Deutsch和Jozsa给出了第一个量子算法，在他们提出的特定问题中，在精确求解的前提下，量子计算相对于经典计算具有指数的加速。
1993年Bernstein、Vazirani和Simon提出以他们名字命名的量子算法。这些算法都表明量子计算在解决某些问题上，具有经典计算难以比拟的优势。
虽然量子算法已能在某些特定问题上超越经典计算，但是这些都是人为设计出来的“数学游戏”，不对应现实问题，量子计算仍无法解决实际的计算问题。
那么，能否找到一个现实的问题，证明量子计算机比经典计算更优越呢？
1994年，Shor提出大数因子算法，表明量子计算机可以超越经典算法，更高效地解决大数因式分解问题，证实了量子算法的优越性。
更重要的是，大数因式分解问题的复杂性是目前广泛使用的RSA密钥系统的理论基础，Shor算法动摇了现行的RSA密码系统的安全性基础。
1996年，Grover提出了无序数据库搜索的量子算法，复杂度由经典算法的N优化到
以上算法均证实了量子具有强大的计算能力，在国家安全和商业价值方面，量子计算机都具有极大的潜力。
Deutsch提出的量子图灵机为人们提供了量子计算的原始模型。
基于量子计算自身的特点，除了和经典计算机类似的量子线路模型外，还存在一些独具特色的、新的计算模型，如One-way量子计算模型、绝热量子计算模型、量子随机行走模型以及拓扑量子计算模型。
这些量子计算模型的计算能力与量子线路模型一致，可以相互在多项式时间内转换，但在具体问题分析中，某些模型使用起来会更方便。
量子线路模型是和经典线路并行的模型，无论是它使用的语言还是构造方法都和经典计算相似，只需要将经典的逻辑门换成量子的逻辑门即可。
3量子比特的量子傅里叶变换的线路
量子计算的超强计算能力来自于量子态的超经典关联特性。
如果能够大规模地制备拥有某种纠缠特性的量子态，就可以通过简单的单比特测量来实现普适的量子计算，这种计算方式称为One-way量子计算。
3比特量子傅里叶变换的One-way算法
绝热量子计算模型也是量子计算特有的模型。
D-wave公司推出的超导系统量子计算装置就是基于绝热量子计算模型的。这一模型将一个计算问题转化为一个量子多体系统的基态问题。
对于量子多体基态问题，已有一些研究结果可以借鉴和参考。反过来，也可以利用这样的量子计算机来研究一些复杂的多体物理问题。
D-Wave量子计算机 图片来源：D-Wave官网
拓扑量子计算模型是量子计算中一个非常特别的计算模型，中国科学院量子信息重点实验室教授韩永建指出，拓扑量子计算有一个非常大的好处，它对局域噪声免疫。
拓扑量子计算示意
经典计算机的物理实现经历了机械、电子管、晶体管三个阶段，现代半导体微电子工艺为经典计算机提供了坚实的物理基础。
那么，什么样的系统才能够用来实现量子计算的功能呢？
DiVincenzo在2000年提出了以他的名字命名的判据：
系统由可扩展的量子比特组成。
量子比特的状态可以被有效初始化（例如，制备到|0>态）。
可以可靠地实现一组普适逻辑门（比如，两比特CNOT加上任意单比特旋转）。
相对于逻辑门操作时间，系统有长的相干时间。一般而言，要求在相干时间内能完成104个门操作，才能完成编码和纠错的过程。
可以对每个比特实施有效的测量。
此外，为了将量子计算和量子通信相结合，或者为了实施分布式量子计算，还需要加入以下要求：可以在静止比特（即做计算的比特）和飞行比特（即用于信息传输的比特，一般是光子）之间进行转换。
目前，人们按照以上判据已经在离子阱系统、超导系统、冷原子系统、量子点系统、光学系统等进行了一系列探索和尝试。
但还没有哪个系统能满足所有要求，就目前的实验技术发展水平而言，超导系统和离子阱系统领先。
阻碍实现普适量子计算的主要困难是量子系统的退相干特性。
量子态本身非常脆弱，不可避免地会受到环境影响，导致系统退相干。
而量子计算的优越性本身就来自于多体系统的相干特性，破坏相干性就破坏了量子计算的优越性。
因而如何抵御退相干是实现量子计算的关键。
“量子编码”是克服环境消相干的有效方法，它通过增加信息冗余度，用若干物理量子比特来编码一个逻辑比特（信息处理的单元）。
可以证明，如果要求编码比特能发现并纠正所有的错误（
量子计算还存在另一类错误，这种错误来源于非理想的量子操作，包括门操作、编码过程和测量。
科学家提出了容错编码来解决这个问题，在容错量子计算中，只要量子操作出错的概率低于一个阈值，仍然能够实现普适的量子计算。
韩永建表示，近年，量子计算在量子采样问题上取得了重要进展，实现了量子优越性（包括google公司在超导芯片上实现的量子随机线路采样，以及中国科学技术大学在光学系统中实现的高斯玻色采样），但也应看到量子采样问题并不是普适量子计算，现阶段，它还不能用于解决实际的问题。
Google的54比特量子芯片 图片来源：Nature
然而，韩永建也指出，短时间内实现容错量子计算在技术上仍有困难，利用中等规模的含噪声的量子器件实现超越经典计算机的现实应用（比如，小分子的模拟，某些优化问题等）是未来一段时间备受关注的问题。
实现容错编码是量子计算的下一个里程碑，而实现普适量子计算仍是一个长期的目标。
韩永建认为，目前中国在通用量子计算机的整体研究已处于第二梯队，相比国际前沿水平仍有一定距离。但在某些特定方向，比如部分量子模拟，技术处于国际领先水平。
他表示，对于我国而言，现在是量子计算发展的关键时期，企业与高校之间的合作与量子计算相关的人才培养尤为重要。量子计算本身是一个产业，抢得先机的国家，必然能在这个产业拥有更多发言权。
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