量子技術(shù)量子計(jì)算技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢研究報(bào)告

量子技術(shù)：量子計(jì)算技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢研究報(bào)告第二次量子革命我們將物理世界分成兩類：但凡遵從典型物理學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為典型世界；而遵從量子力學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為量子世界。這兩個(gè)物理世界有著絕然不同的特性，典型世界中物理客體每個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)和物理量都是擬定的，而量子世界的物理客體的狀態(tài)和物理量都是不擬定的。概率性是量子世界區(qū)別于典型世界的本質(zhì)特性。量子力學(xué)的成功不僅體現(xiàn)在迄今量子世界中尚未觀察到任何違反量子力學(xué)的現(xiàn)象，事實(shí)上，正是量子力學(xué)催生了當(dāng)代的信息技術(shù)，造就人類社會的繁華興盛。信息領(lǐng)域的核心技術(shù)是電腦和互聯(lián)網(wǎng)。量子力學(xué)的能帶理論是晶體管運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，晶體管是多個(gè)各樣芯片的基本單元。光的量子輻射理論是激光誕生的基本原理，而正是該技術(shù)的發(fā)展才產(chǎn)生當(dāng)下無處不在的互聯(lián)網(wǎng)。然而，晶體管和激光器卻是典型器件，由于它們遵從典型物理的運(yùn)行規(guī)律。因此，現(xiàn)在的信息技術(shù)本質(zhì)上是源于量子力學(xué)的典型技術(shù)。20世紀(jì)80年代，科學(xué)家將量子力學(xué)應(yīng)用到信息領(lǐng)域，從而誕生了量子信息技術(shù)，諸如量子計(jì)算機(jī)、量子密碼、量子傳感等。這些技術(shù)的運(yùn)行規(guī)律遵從量子力學(xué)，因此不僅其原理是量子力學(xué)，器件本身也遵從量子力學(xué)，這些器件應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等，因而其信息功效遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于對應(yīng)的典型技術(shù)。量子信息技術(shù)突破了典型技術(shù)的物理極限，開辟了信息技術(shù)發(fā)展的新方向。一旦量子技術(shù)獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用，人類社會生產(chǎn)力將邁進(jìn)到新階段。因此，我們將量子信息的誕生稱為第二次量子革命，而基于量子力學(xué)研制出的典型技術(shù)，稱之為第一次量子革命。量子信息技術(shù)就是將來人類社會的新一代技術(shù)。量子網(wǎng)絡(luò)量子信息技術(shù)最后的發(fā)展目的就是研制成功量子網(wǎng)絡(luò)。量子網(wǎng)絡(luò)基本要素涉及量子節(jié)點(diǎn)和量子信道。全部節(jié)點(diǎn)通過量子糾纏互相連接，遠(yuǎn)程信道需要量子中繼。量子網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸和解決融合在一起，量子節(jié)點(diǎn)用于存儲和解決量子信息，量子信道用于各節(jié)點(diǎn)之間的量子信息傳送。與典型網(wǎng)絡(luò)相比，量子網(wǎng)絡(luò)中信息的存儲和傳輸過程更加安全，信息的解決更加高效，有著更加強(qiáng)大的信息功效。量子節(jié)點(diǎn)涉及通用量子計(jì)算機(jī)、專用量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器和量子密鑰裝置等。應(yīng)用不同量子節(jié)點(diǎn)將構(gòu)成不同功效的量子網(wǎng)絡(luò)。典型的有：1、由通用量子計(jì)算機(jī)作為量子節(jié)點(diǎn)，將構(gòu)成量子云計(jì)算平臺，其運(yùn)算能力將強(qiáng)大無比；2、使用專用量子計(jì)算機(jī)作為量子節(jié)點(diǎn)能夠構(gòu)成分布式量子計(jì)算，其信息功效等同于通用量子計(jì)算機(jī)。亦即應(yīng)用這種辦法能夠從若干比特?cái)?shù)較少的量子節(jié)點(diǎn)采用糾纏通道連接起來，能夠構(gòu)成等效的通用量子計(jì)算機(jī)；3、量子節(jié)點(diǎn)是量子傳感器，所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是高精度的量子傳感網(wǎng)絡(luò)，也能夠是量子同時(shí)時(shí)鐘；4、量子節(jié)點(diǎn)是量子密鑰裝置，所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是量子密鑰分派(QKD)網(wǎng)絡(luò)，能夠用于安全的量子保密通信。固然，單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)本身就是量子器件，也會有許多應(yīng)用場景，量子網(wǎng)絡(luò)就是這些量子器件的集成，其信息功效將得到巨大提高，應(yīng)用更廣泛。上述的量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的遠(yuǎn)景，現(xiàn)在距離這個(gè)遠(yuǎn)景的實(shí)現(xiàn)還相稱遙遠(yuǎn)。不僅尚無哪種類型量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)演示成功，即使是單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)的量子器件也仍處在研制階段，距離實(shí)際的應(yīng)用仍有著很長的路要走。即便是單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)研制成功，要將若干量子節(jié)點(diǎn)通過糾纏信道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)也極其困難——普通采用光纖作為量子信息傳輸?shù)耐ǖ?，量子?jié)點(diǎn)的量子信息必須能強(qiáng)耦合到光纖通信波長的光子上，該光子達(dá)成下個(gè)量子節(jié)點(diǎn)處再強(qiáng)耦合到該節(jié)點(diǎn)工作波長的量子比特上，任何節(jié)點(diǎn)之間最后均可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合、高保真度的相干操控，只有這樣才干實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的信息功效?，F(xiàn)在，連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子界面仍然處在基礎(chǔ)研究階段。至于遠(yuǎn)程的量子通道，必須有量子中繼才干實(shí)現(xiàn)，而量子中繼的研制又依賴于高速擬定性糾纏光源和可實(shí)用性量子存儲器的研究，全部這些核心器件仍然處在基礎(chǔ)研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。因此整個(gè)量子信息技術(shù)領(lǐng)域仍然處在早期研究階段，實(shí)際應(yīng)用尚有待時(shí)日。那么，量子信息技術(shù)時(shí)代何時(shí)到來？量子計(jì)算機(jī)是量子信息技術(shù)中最有標(biāo)志性的顛覆性技術(shù)，只有當(dāng)通用量子計(jì)算機(jī)獲得廣泛實(shí)際應(yīng)用之時(shí)，我們才可斷言人類社會已進(jìn)入量子技術(shù)新時(shí)代。量子計(jì)算機(jī)典型計(jì)算機(jī)按照摩爾定律快速發(fā)展20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家卻提出“摩爾定律與否會終止”這個(gè)不受人歡迎的命題，并著手開展研究。最后居然得出結(jié)論：摩爾定律必然會終止。理由是，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不停提高電子芯片的集成度——即單位芯片面積的晶體管數(shù)目。但這個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)受到兩個(gè)重要物理限制：一是由于非可逆門操作會丟失大量比特，并轉(zhuǎn)化為熱量，最后會燒穿電子芯片，這也是當(dāng)下大型超算中心碰到的巨大能耗困難所在；二是終極的運(yùn)算單元是單電子晶體管，而單電子的量子效應(yīng)將影響芯片的正常工作，使計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度無法如預(yù)料的提高。物理學(xué)家的研究成果并不影響當(dāng)時(shí)摩爾定律的運(yùn)行，多數(shù)學(xué)者甚至認(rèn)為物理學(xué)家是杞人憂天。然而物理學(xué)家并未停止腳步，著手研究第2個(gè)問題：摩爾定律失效后，如何進(jìn)一步提高信息解決的速度——即后摩爾時(shí)代提高運(yùn)算速度的途徑是什么？研究成果誕生了“量子計(jì)算”的概念。1982年美國物理學(xué)家Feynman指出，在典型計(jì)算機(jī)上模擬量子力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行存在著本質(zhì)性困難，但如果能夠構(gòu)造一種用量子體系為框架的裝置來實(shí)現(xiàn)量子模擬就容易得多。隨即英國物理學(xué)家Deutsch提出“量子圖靈機(jī)”概念，“量子圖靈機(jī)”可等效為量子電路模型。從此，“量子計(jì)算機(jī)”的研究便在學(xué)術(shù)界逐步引發(fā)人們的關(guān)注。1994年Shor提出了量子并行算法，證明量子計(jì)算能夠求解“大數(shù)因子分解”難題，從而攻破廣泛使用的RSA公鑰體系，量子計(jì)算機(jī)才引發(fā)廣泛重視。Shor并行算法是量子計(jì)算領(lǐng)域的里程碑工作。進(jìn)入21世紀(jì)，學(xué)術(shù)界逐步獲得共識：摩爾定律必然會終止，因此，后摩爾時(shí)代的新技術(shù)便成為熱門研究課題，量子計(jì)算無疑是最有力的競爭者。量子計(jì)算應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地含有并行計(jì)算的能力，能夠?qū)⒛承┰陔娮佑?jì)算機(jī)上指數(shù)增加復(fù)雜度的問題變?yōu)槎囗?xiàng)式增加復(fù)雜度，亦即電子計(jì)算機(jī)上某些難解的問題在量子計(jì)算機(jī)上變成易解問題。量子計(jì)算機(jī)為人類社會提供運(yùn)算能力強(qiáng)大無比的新的信息解決工具，因此稱之為將來的顛覆性技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同電子計(jì)算機(jī)相比，等同于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同算盤相比?？梢娨坏┝孔佑?jì)算得到廣泛應(yīng)用，人類社會各個(gè)領(lǐng)域都將會發(fā)生翻天覆地的變化。量子計(jì)算的運(yùn)算單元稱為量子比特，它是0和1兩個(gè)狀態(tài)的疊加。量子疊加態(tài)是量子世界獨(dú)有的，因此，量子信息的制備、解決和探測等都必須遵從量子力學(xué)的運(yùn)行規(guī)律。量子計(jì)算機(jī)的工作原理如圖1所示?！緢D1量子計(jì)算機(jī)的工作原理】量子計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)同樣，用于解決某種數(shù)學(xué)問題，因此它的輸入數(shù)據(jù)和成果輸出都是普通的數(shù)據(jù)。區(qū)別在于解決數(shù)據(jù)的辦法本質(zhì)上不同。量子計(jì)算機(jī)將典型數(shù)據(jù)制備在量子計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的初始量子態(tài)上，經(jīng)由幺正操作變成量子計(jì)算系統(tǒng)的末態(tài)，對末態(tài)實(shí)施量子測量，便輸出運(yùn)算成果。圖1中虛框內(nèi)都是按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的。圖中的幺正操作(U操作)是信息解決的核心，如何擬定U操作呢？首先選擇適合于待求解問題的量子算法，然后將該算法按照量子編程的原則轉(zhuǎn)換為控制量子芯片中量子比特的指令程序，從而實(shí)現(xiàn)了U操作的功效。量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過程如圖2所示。【圖2量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過程】給定問題及有關(guān)數(shù)據(jù)，科學(xué)家設(shè)計(jì)對應(yīng)的量子算法，進(jìn)而開發(fā)量子軟件實(shí)現(xiàn)量子算法，然后進(jìn)行量子編程將算法思想轉(zhuǎn)化為量子計(jì)算機(jī)硬件能識別的一條條指令，這些指令隨即發(fā)送至量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)施對量子芯片系統(tǒng)的操控，操控結(jié)束后，量子測量的數(shù)據(jù)再反饋給量子控制系統(tǒng)，最后傳送到工作人員的電腦上。【圖3單雙量子比特門】量子邏輯電路是用于實(shí)現(xiàn)U變換的操作，任何復(fù)雜的U操作都能夠拆解為單量子比特門Ui和雙量子比特門Ujk的某種組合(即可拆解定理)，Ui和Ujk是最簡樸的普適邏輯門集。典型的單雙比特門如圖3所示?；诹孔訄D靈機(jī)(量子邏輯電路)的量子計(jì)算稱為原則量子計(jì)算，現(xiàn)在還在研究的其它量子計(jì)算模型尚有：單向量子計(jì)算、拓?fù)淞孔佑?jì)算和絕熱量子計(jì)算(量子退火算法)等。量子計(jì)算機(jī)是宏觀尺度的量子器件，環(huán)境不可避免會造成量子相干性的消失(即消相干)，這是量子計(jì)算機(jī)研究的重要障礙?！傲孔泳幋a”用于克服環(huán)境的消相干，它增加信息的冗余度，用若干物理量子比特來編碼一種邏輯比特(信息解決的單元)。業(yè)已證明，采用起碼5個(gè)量子比特編碼、1個(gè)邏輯比特，能夠糾正消相干引發(fā)的全部錯(cuò)誤。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用存在另一類嚴(yán)重的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤來源于非抱負(fù)的量子操作，涉及門操作和編碼的操作?？茖W(xué)家提出容錯(cuò)編碼原理來糾正這類錯(cuò)誤，該原理指出，在全部量子操作都可能出錯(cuò)的狀況下，仍然能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)糾正回抱負(fù)的狀態(tài)。這涉及到“容錯(cuò)閾值定理”，即只有量子操作的出錯(cuò)率低于某個(gè)閾值，才干實(shí)現(xiàn)量子容錯(cuò)。容錯(cuò)閾值與量子計(jì)算的實(shí)際構(gòu)型有關(guān)，在一維或準(zhǔn)一維的模型中，容錯(cuò)的閾值為105，在二維狀況(采用表面碼來編碼比特)，閾值為102。通過科學(xué)家十?dāng)?shù)年的努力，現(xiàn)在離子阱和超導(dǎo)系統(tǒng)的單雙比特操作精度已經(jīng)達(dá)成這個(gè)閾值。這個(gè)進(jìn)展極大地刺激了人們對量子計(jì)算機(jī)研制的熱情，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)不再是遙不可及的。量子計(jì)算機(jī)的研制逐步走出實(shí)驗(yàn)室，成為國際上各大公司追逐的目的。量子計(jì)算機(jī)研制涉及下列核心技術(shù)部件：1、核心芯片，涉及量子芯片及其制備技術(shù)；2、量子控制，涉及量子功效器件、量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和量子測控技術(shù)等；3、量子軟件，涉及量子算法、量子開發(fā)環(huán)境和量子操作系統(tǒng)等；4、量子云服務(wù)，即面對顧客的量子計(jì)算機(jī)云服務(wù)平臺；【圖4年量子計(jì)算機(jī)的研制獲得重大進(jìn)展.(a),(b)IBM推出的全球首套商用量子計(jì)算機(jī)IBMQSystemOne;(c),(d)谷歌推出的53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片】量子計(jì)算機(jī)的研制從以科研院校為主體變?yōu)橐怨緸橹黧w后發(fā)展極其快速：IBM公布全球首個(gè)量子計(jì)算機(jī)在線平臺，搭載5位量子解決器；本源量子推出當(dāng)時(shí)國際最強(qiáng)的64位量子虛擬機(jī)，打破了當(dāng)時(shí)采用典型計(jì)算機(jī)模擬量子計(jì)算機(jī)的世界紀(jì)錄；量子計(jì)算機(jī)研制獲得重大進(jìn)展：年初IBM推出全球首套商用量子計(jì)算機(jī)，命名為IBMQSystemOne，這是首臺可商用的量子解決器；10月，谷歌在Nature上發(fā)表了一篇里程碑論文，報(bào)道他們用53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片，耗時(shí)200s實(shí)現(xiàn)一種量子電路的采樣實(shí)例，而同樣的實(shí)例在當(dāng)今最快的典型超級計(jì)算機(jī)上可能需要運(yùn)行大概1萬年，他們宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”；9月，本源完全自主研發(fā)的超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺正式向全球顧客開放，該平臺基于本源量子自主研發(fā)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)——悟源（搭載6比特超導(dǎo)量子解決器夸父KFC6-130）。總之，量子計(jì)算機(jī)研制已從高校、研究所為主發(fā)展為以公司為主力，從實(shí)驗(yàn)室的研究邁進(jìn)到公司的實(shí)用器件研制，量子計(jì)算機(jī)將經(jīng)歷3個(gè)發(fā)展階段：量子計(jì)算原型機(jī)原型機(jī)的比特?cái)?shù)較少，信息功效不強(qiáng)，應(yīng)用有限，但“五臟俱全”，是地地道道地按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的量子解決器。IBMQSystemOne就是這類量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)。量子霸權(quán)量子比特?cái)?shù)在50-100左右，其運(yùn)算能力超出任何典型的電子計(jì)算機(jī)。但未采用“糾錯(cuò)容錯(cuò)”技術(shù)來確保其量子相干性，因此只能解決在其相干時(shí)間內(nèi)能完畢的那類問題，故又稱為專用量子計(jì)算機(jī)，這種機(jī)器實(shí)質(zhì)是中檔規(guī)模帶噪聲量子計(jì)算機(jī)(noisyintermediate-scalequantum,NISQ)。應(yīng)當(dāng)指出，“量子霸權(quán)”事實(shí)上是指在某些特定的問題上量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超越了任何典型計(jì)算機(jī)。這些特定問題的計(jì)算復(fù)雜度通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證，在典型計(jì)算機(jī)上是指數(shù)增加或超指數(shù)增加，而在量子計(jì)算機(jī)上是多項(xiàng)式增加，因此