出品：科普中國

制作：鐵流

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

日前，中國量子計算機取得突破性進展，中國科技大學(xué)量子實驗室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲，量子芯片相當(dāng)于未來量子計算機的大腦，研制成功后可實現(xiàn)量子計算機的邏輯運算和信息處理，量子儲存則有助于實現(xiàn)超遠距離量子態(tài)量子信息傳輸。那么量子計算機相對于傳統(tǒng)計算機有什么優(yōu)勢?本次成功研究的量子芯片距離真正實用的量子計算機還有多遠呢?

圖1 量子芯片研發(fā)成功

量子計算有何優(yōu)勢

目前，傳統(tǒng)計算機發(fā)展中已經(jīng)逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問題，傳統(tǒng)計算機的性能增長越來越困難。因此，探索全新物理原理的高性能計算技術(shù)的需求就應(yīng)運而生。

量子計算是一種基于量子效應(yīng)的新型計算方式。基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務(wù)。

所謂量子位就是一個具有兩個量子態(tài)的物理系統(tǒng)，如光子的兩個偏振態(tài)、電子的兩個自旋態(tài)、離子(原子)的兩個能級等都可構(gòu)成量子位的兩個狀態(tài)——晶體管只有開/關(guān)狀態(tài)，也就是要么是0狀態(tài)，要么是1狀態(tài);而基于量子疊加性原理，一個量子位可以同時處于0狀態(tài)和1狀態(tài)。由于量子糾纏的原因——處于糾纏態(tài)的兩個粒子有一個奇妙特性，一旦對其中一個粒子進行測量確定了它的狀態(tài)，那么就立即知道另一個粒子所處的狀態(tài),因此，當(dāng)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時，疊加的各個狀態(tài)都可以發(fā)生變化。

舉例來說，因為1個量子位同時表示0和1兩個狀態(tài)，7個這樣的量子態(tài)就可以同時表示128個狀態(tài)。N個量子位可同時存儲2的N次方個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長。同時，量子計算機操作一次等效于電子計算機要進行2的N次方次操作的效果……等于是一次演化相當(dāng)于完成了2的N次方個數(shù)據(jù)的并行處理，這就是量子計算機相對于經(jīng)典計算機的優(yōu)勢。

量子計算機具有極大超越經(jīng)典計算機的超并行計算能力。例如，求一個300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的經(jīng)典計算機可能需要上千年的時間來完成，而量子計算機原則上可以在很短的時間內(nèi)完成。因此，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢，是新概念高性能計算領(lǐng)域公認的發(fā)展趨勢。

(半導(dǎo)體量子芯片由郭光燦院士團隊研發(fā))

距離量子計算機還有多遠

要構(gòu)建量子計算式有兩個要求，一個是量子邏輯門精度足夠高，另一個是邏輯比特數(shù)量足夠多。

量子比特可以分為物理比特和邏輯比特。物理比特并不穩(wěn)定，可能現(xiàn)在有10個物理比特，但很快就喪失了。因此，不得不通過糾錯碼過程對10個物理比特做冗余，最后生成了一個邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯特性。

量子計算要產(chǎn)生相對于傳統(tǒng)計算足夠多的優(yōu)勢，有效的邏輯比特的數(shù)目必須要大于30的情況下才行，要做出真正的量子計算機則需要幾百上千物理比特。而量子技術(shù)需要利用量子相干性才可以做計算，但每個量子比特都非常脆弱，很容易被環(huán)境退相干，使量子的相干性喪失，而且退相干的速度隨著體系的擴大而呈指數(shù)增加，量子比特越多，退相干速度越快。

為應(yīng)對量子比特退相干的情況，就必須采用糾錯碼技術(shù)，鑒定噪聲的可能狀態(tài)，在假定了噪聲特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建糾錯碼系統(tǒng)，構(gòu)建糾錯容錯的理論體系。

其實，傳統(tǒng)計算機也會發(fā)生計算錯誤，但可以通過糾錯碼計算。而量子計算機也是這樣，如果能夠達到容錯預(yù)值(容錯預(yù)值不僅僅是對操作精度，對噪聲的總體水平有一個約束的關(guān)系)——外界噪聲低到一定水平，操作達到一定精度之時，就可以滿足容錯計算。在精度上，由英國工程和物理科學(xué)研究理事會(EPSRC)資助的網(wǎng)絡(luò)量子信息技術(shù)中心(NQIT)的科學(xué)家已經(jīng)將量子邏輯門(quantum logic gate)的精度提升至99%;而國內(nèi)由杜江峰院士帶隊的研究組在傳統(tǒng)的糾錯碼下達到了更高的操作精度，量子邏輯門精度達到了99.99%，其單比特門精度已經(jīng)滿足容錯計算的需求;本次中國科技大學(xué)量子實驗室研發(fā)的半導(dǎo)體量子芯片精度達到90%，雖然精度相對于之前的兩個數(shù)據(jù)略顯偏低，但用量子糾錯碼就可以解決，做到高于量子糾錯碼的閾值即可，因此，該量子芯片的精度也達到了滿足容錯計算的精度。

之前說過，在精度滿足容錯計算的需求的情況下，有效的邏輯比特的數(shù)目超過30個就能在計算性能上取得對傳統(tǒng)計算機的相對優(yōu)勢，那么有中國科技大學(xué)研發(fā)出的量子芯片的邏輯比特數(shù)達到多少呢?據(jù)筆者了解，該量子芯片由砷化鎵材料制造，用量子點(用半導(dǎo)體工藝做出一個模擬原子能級的結(jié)構(gòu))實現(xiàn)量子比特，邏輯比特數(shù)量為3個，也就是說，只要進行系統(tǒng)擴展，把更多的邏輯比特能達到滿足容錯計算的精度，將邏輯比特數(shù)量擴大10倍，即可制造出在性能上超越傳統(tǒng)計算機的量子計算機。

另外，半導(dǎo)體方案還有一個獨特優(yōu)勢——在理論上沒有制約提升消相干時間的瓶頸。目前，制約量子計算的瓶頸之一系統(tǒng)擴展難度非常大;還有就是量子態(tài)的消相干時間，一般情況下只能做到幾納秒，另外還有兩個相距較遠的量子態(tài)的相互作用也比較難。而半導(dǎo)體方案理論上沒有制約提升消相干時間的技術(shù)瓶頸，科研人員可以沿著這條技術(shù)路線不斷攀登前進。

總而言之，雖然在技術(shù)上，中科大量子實驗室成功研制量子芯片是一大技術(shù)突破，但由于系統(tǒng)擴展難度非常大，以及消相干時間方面的瓶頸等因素，建成量子計算機依舊任重道遠。