新知 ? 新思 ? 新文化
“
編者按：什么是量子計算？什么是量子計算機？量子計算將對未來計算產(chǎn)生怎樣的影響？本期我們有幸邀請到了量子領(lǐng)域的專家段路明老師和吳宇愷老師談?wù)劻孔佑嬎銠C的發(fā)展，一起來看看吧~
概念突破：量子計算機的原理與發(fā)展
量子計算機是一種基于量子力學(xué)原理進行運算的新型計算機。
在現(xiàn)有的計算機（稱為經(jīng)典計算機）中，信息以二進制的比特的形式進行存儲和操作，每一個比特可以處于0或1的狀態(tài)。類似地，在量子計算機中，基本的信息存儲單元（稱為量子比特）也具有0和1兩種狀態(tài)。但是不同于經(jīng)典計算機的比特，量子比特可以同時處于0和1的狀態(tài)，這稱為一個疊加態(tài)。兩個量子比特可以同時處于00、01、10、11這四個狀態(tài)的疊加態(tài)；依此類推，n個量子比特可以同時處于2n個狀態(tài)的疊加態(tài)。
對于這樣n個量子比特的系統(tǒng)進行一系列量子邏輯門操作，就相當(dāng)于同時對所有2n種狀態(tài)進行操作，這被稱為量子并行，解釋了量子計算機能產(chǎn)生指數(shù)加速的原因。
當(dāng)然，由于量子力學(xué)原理對于量子態(tài)測量等的限制，量子計算機并不是在所有問題上都能簡單地獲得加速。我們?nèi)匀恍枰擅畹卦O(shè)計量子算法，在不同的疊加態(tài)之間進行量子干涉，從而實現(xiàn)指數(shù)或多項式級別的量子加速。著名的例子有Shor的質(zhì)因數(shù)分解和離散對數(shù)算法、Grover的量子搜索算法等。通過加速各類復(fù)雜的計算問題，未來的大規(guī)模通用量子計算機將有望應(yīng)用于信息安全、新材料模擬、藥物研發(fā)、工程優(yōu)化、人工智能等領(lǐng)域。
量子計算領(lǐng)域的首要研究任務(wù)是實現(xiàn)大規(guī)模的通用量子計算機。目前用于實現(xiàn)量子計算機的物理系統(tǒng)主要有離子阱、超導(dǎo)電路、冷原子、光子、拓撲材料、固體自旋、半導(dǎo)體量子點這7種技術(shù)路線，其中尤以離子阱和超導(dǎo)電路這兩種路線在量子比特數(shù)和量子邏輯門的精確度等關(guān)鍵指標(biāo)上占據(jù)領(lǐng)先地位。
在實驗中，包括量子態(tài)制備、測量、單量子比特邏輯門、雙量子比特邏輯門等在內(nèi)的基本量子操作都不可避免地具有誤差，誤差將隨著量子比特數(shù)量增加和量子線路的延長而積累，最終導(dǎo)致錯誤的計算結(jié)果。所幸，理論研究表明，只要各種基本量子操作的誤差都低于某一閾值（稱為容錯量子計算的閾值），我們就可以通過量子糾錯方法，用越來越多的物理量子比特來編碼一個邏輯量子比特，實現(xiàn)越來越高的精度。
目前在離子阱和超導(dǎo)電路這兩種領(lǐng)先的物理系統(tǒng)中，都已對幾十個量子比特實現(xiàn)了誤差低于容錯量子計算閾值的基本量子操作。因此，未來重要的研究方向，將是如何在保持乃至提高現(xiàn)有精度指標(biāo)的前提下，擴展量子比特的數(shù)量，將目前的幾十個量子比特的系統(tǒng)擴展到成千上萬乃至上百萬，從而實現(xiàn)大規(guī)模通用量子計算，解決實際問題。
清華使命：離子阱量子計算機的研發(fā)
在清華大學(xué)交叉信息研究院，我們的團隊布局了離子阱與超導(dǎo)的量子計算實驗平臺，重點攻關(guān)離子阱量子計算方向，領(lǐng)導(dǎo)中國離子阱量子計算的“2030-重大專項”并處于國際前沿。
離子阱量子計算機采用約束在真空中的離子作為量子比特。目前研究中常用的兩種離子阱裝置是圖1所示的刀片阱和圖2所示的芯片阱，二者通過多塊刀片狀的電極、或是芯片表面由微納加工制成的電極，施加直流和交變電場，形成對離子的穩(wěn)定的囚禁。在獲得穩(wěn)定囚禁的離子陣列后，我們可以利用離子的兩個穩(wěn)定的能級作為量子比特0和1的狀態(tài)，利用激光或微波來控制能級之間的躍遷實現(xiàn)量子邏輯門，并通過激光實現(xiàn)量子比特狀態(tài)的初始化和測量。這其中涉及到離子囚禁、低溫、磁場、激光、微波、電子學(xué)控制等多項技術(shù)。作為最早用于量子計算研究的系統(tǒng)之一，總體來說，相比于其他物理系統(tǒng)，離子阱系統(tǒng)具有保真度高、退相干時間長、連通性好、編程擴展性強等優(yōu)點。
圖1 清華實驗室刀片阱實驗裝置
圖2 清華實驗室芯片阱實驗裝置(激光束為示意圖)
當(dāng)前，國際上已經(jīng)能在離子阱量子計算平臺實現(xiàn)誤差低于0.01%的量子比特狀態(tài)初始化與測量、在兩個離子的系統(tǒng)中誤差低于0.01%的單量子比特邏輯門和誤差0.1%的雙量子比特邏輯門，以及在13個離子的系統(tǒng)中誤差0.02%的單量子比特邏輯門和誤差0.7%-1.5%的雙量子比特邏輯門。
考慮到離子阱量子計算的上述優(yōu)勢和巨大潛力，清華大學(xué)交叉信息研究院從2011年就開始搭建相關(guān)實驗平臺，是國內(nèi)最早開展離子阱量子計算研究的機構(gòu)。近期，我們實驗研究團隊取得多項進展：
在低溫環(huán)境下實現(xiàn)了超過200個離子量子比特的穩(wěn)定囚禁（圖3），代表目前的最高記錄。
圖3 清華實驗室拍攝的203個鐿離子排列成的穩(wěn)定一維陣列的熒光圖像
首次在實驗上實現(xiàn)了拉比-哈伯德模型的量子模擬（圖4），通過16個離子的自旋與聲子模式實現(xiàn)了257（約14億億）的有效希爾伯特空間維度。這是首個超越經(jīng)典計算機模擬能力的多離子量子模擬實驗，相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報》并入選為編輯推薦論文。
圖4 多離子量子模擬實現(xiàn)拉比-哈伯德模型（Phys. Rev. Lett. 128, 160504）
演示了多離子協(xié)同冷卻（圖5），通過對優(yōu)化選擇的少量離子進行激光冷卻，首次實現(xiàn)對長離子鏈的高效協(xié)同冷卻，獲得了接近全局激光冷卻的極限溫度。這一成果對于保持大規(guī)模離子陣列的穩(wěn)定性、實現(xiàn)未來的大規(guī)模量子計算和量子模擬，具有重要意義。
圖5 多離子協(xié)同冷卻（Phys. Rev. Lett. 127, 143201）
未來發(fā)展：離子阱量子計算的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合
未來大規(guī)模通用量子計算機的應(yīng)用，將離不開產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同發(fā)展。當(dāng)前，歐美各國都在積極開展超導(dǎo)和離子阱量子計算機的產(chǎn)業(yè)化。在離子阱領(lǐng)域，尤以高科技跨國公司Honeywell和美國首家上市的量子計算初創(chuàng)公司IonQ為代表。
針對這一發(fā)展趨勢，交叉信息研究院的研究團隊也在積極推進離子量子計算方向的成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，著眼于大規(guī)模離子阱量子計算機的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
在此前的離子阱量子計算研究中，通常采用一維離子構(gòu)型。據(jù)估計，該構(gòu)型只能穩(wěn)定囚禁至多約一、二百離子。為了進一步擴展離子量子比特數(shù)，目前國際上主要有兩種主流的方案。一是基于離子輸運的方案：將離子阱劃分為多個空間區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)囚禁少量離子作為一個個單獨的量子計算模塊、分別進行小規(guī)模量子計算，再通過外界電場控制部分離子在各個計算模塊之間移動，實現(xiàn)多個計算模塊之間的量子糾纏。這種方案的難點在于離子輸運速度較慢，且需要設(shè)計復(fù)雜的離子阱結(jié)構(gòu)并保持離子輸運過程中的量子相干性。二是模塊化量子網(wǎng)絡(luò)方案：采用多個獨立的離子阱作為一個個量子計算模塊，再在每個模塊中將部分離子量子比特轉(zhuǎn)化成光子，通過光纖收集、傳輸，進行不同計算模塊之間的連接。由于光子更適合遠距離傳播，量子網(wǎng)絡(luò)方案允許各個計算模塊之間距離更遠，且由于不需要移動離子，離子阱的設(shè)計也比輸運方案更為簡單，但這一方案的缺點是光子轉(zhuǎn)化、測量成功率低，導(dǎo)致模塊間連接的效率低、速度慢。
在充分考慮上述方案的優(yōu)缺點后，我們的團隊在推進離子阱量子計算的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時，創(chuàng)新性地提出采用基于高維離子量子比特陣列的離子量子計算機架構(gòu)，可在維持高速、高保真度的量子邏輯門操作的同時，極大提升單系統(tǒng)的有效量子比特數(shù)量并保持其連通性。研究團隊已為該技術(shù)方案申請了相關(guān)發(fā)明專利。
量子計算機的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展目前還處在早期階段，其成熟、廣泛應(yīng)用還需要大量人才與資源的持續(xù)投入。作為一種革命性的技術(shù)，量子計算機已成為大國科技競爭中的一個高地，未來將持續(xù)引領(lǐng)多學(xué)科思想、多門類技術(shù)的交叉、融合與發(fā)展。
作者簡介
段路明
段路明
，清華大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)講席教授、姚期智講座教授，曾任美國密歇根大學(xué)費米講席教授。從事量子計算機和量子網(wǎng)絡(luò)方向的研究，曾獲饒毓泰基礎(chǔ)光學(xué)獎、霍英東青年研究獎、美國斯隆研究獎、海外華人物理學(xué)會杰出研究獎、國家自然科學(xué)二等獎等獎項，2009年當(dāng)選美國物理學(xué)會會士。在《現(xiàn)代物理評論》、《自然》、《科學(xué)》等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文200余篇，被引用33,000多次。
吳宇愷
吳宇愷，清華大學(xué)交叉信息研究院助理教授，博士生導(dǎo)師。從事量子計算、量子信息方向的研究。發(fā)表SCI論文30余篇（其中《自然》、《科學(xué)》子刊6篇、《物理評論快報》7篇），被引用700余次。
供稿 | 段路明 吳宇愷
約稿 | 惠珺
編輯 | 惠珺
排版 | 惠珺
本文經(jīng)段路明老師、吳宇愷老師授權(quán)發(fā)布，
如需轉(zhuǎn)載請在留言區(qū)說明
1
2
3
