量子計算機的研究進展

◎郭光燦 院士

6月15日，在第二屆“強網(wǎng)論壇”主論壇上，郭光燦院士作了題為《量子計算機的研究進展》的主題報告。郭院士指出，量子計算機是量子信息領(lǐng)域最具顛覆性的技術(shù)，也是難度最大的技術(shù)。他從量子計算機的特點、與電子計算機的區(qū)別、目前的研究進展和未來發(fā)展等方面進行了深入介紹。本文由《網(wǎng)信軍民融合》雜志根據(jù)現(xiàn)場演講整理。

量子計算機是量子信息領(lǐng)域最具顛覆性的技術(shù)，也是難度最大的技術(shù)。大家很關(guān)注它的研究進展，這就是本文要闡述的主要內(nèi)容。

一、量子計算機的特點

量子計算機和電子計算機最大的區(qū)別在于：量子計算機是并行運算模式，電子計算機是串行運算模式。量子計算機的優(yōu)點是可以提高數(shù)據(jù)處理的速度。在下列幾個方面有著應(yīng)用優(yōu)勢：一是可以改變某些問題的計算復(fù)雜度。如果一個問題在電子計算機是NP問題，比如大數(shù)分成兩個素數(shù)，電子計算機是難以計算的。量子計算機可以將其變?yōu)镻問題，很容易計算。當然，目前的量子算法沒法證明所有電子計算機的NP問題都可以變成P問題。二是對于電子計算機上的P問題，量子計算機有加速運算的功能。比如說搜尋問題，在電子計算機上需要運算N次，而量子計算機只要次。搜尋問題是我們經(jīng)常用的問題，這個可以在很多方面發(fā)揮作用。三是模擬計算問題，比如說制造藥物，需要先在計算機上模擬，看哪一種藥效更好，這涉及到多體系統(tǒng)的模擬，電子計算機需指數(shù)上升的時間，而在量子計算機上進行模擬，就是P問題。所以，量子計算機出現(xiàn)以后，在藥物制備方面就可以以極快速度進行篩選。

郭光燦院士

量子計算機同電子計算機的功能一樣，都是用來解數(shù)學問題，不同的是，量子計算機用的是量子芯片，采用并行運算模式。電子計算機用的是電子芯片，采用串行運算模式。所以，量子計算機處理數(shù)據(jù)的速度更快。量子計算要算一個函數(shù)，需要找到合適的量子算法進行編程，用這個程序控制量子計算機，讓它按人們的需要運行，最后把問題計算出來。這就是量子計算大概的構(gòu)成。

二、量子計算機的研究進展

量子計算機的實現(xiàn)涉及到很多方面的問題，包括硬件問題（如量子芯片、操控系統(tǒng)、量子測量等）、軟件問題（如量子算法、量子編碼、量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等）以及量子材料等。就量子材料而言，用于制備量子芯片的材料必須是特殊材料，要量子相干時間長、操作快?，F(xiàn)在還沒有這種材料，如果有了這種材料，量子計算機就可以實現(xiàn)通用計算。

量子計算機要求非常高，需要的量子比特非常多，所以很多體系演示一個、兩個或者十個、八個可以，最終做到集成，若演示成千上億個就很難?，F(xiàn)在研究的多是固態(tài)的超導、半導體，它的集成性好，但是有一個缺點，量子相干性非常差，因為固態(tài)很復(fù)雜，在周圍環(huán)境的作用下其相干性就消失了，量子的優(yōu)點也就沒了。由于找不到合適的物理體系可以做量子芯片，長期人們對量子計算機體系實現(xiàn)沒有信心。最近量子點的相干時間達到200微秒，使人們又重拾對研制量子計算機的熱情。我國起步比較晚，2001年才開始做，目前已經(jīng)做到三個量子比特，正在做4個量子比特。國際上，雖然現(xiàn)在超導做得比較好，但超導量子相干性非常差，科學家們花了13年的時間把它提高了5萬倍，達到100微妙，加快了量子計算的步伐。這就是最近幾年超導量子計算機發(fā)展的原因。

美國政府2016年宣布在5年之內(nèi)要做幾十個量子比特、供科學家研究的量子計算機。美國休斯實驗室都在搞量子計算，而且不是遙遙無期，已經(jīng)很有可能了。歐洲《量子宣言》指出，打算15年內(nèi)把可以實際用的通用量子計算機或者至少把樣機做出來?，F(xiàn)在量子計算機發(fā)展勢頭良好，在半導體量子計算機方面，美國軍方、澳大利亞已經(jīng)做到兩個量子比特。

近期，IBM公司的量子計算機已經(jīng)研制出來了，是可以獨立的量子計算機。它把所有操作系統(tǒng)和所有的軟件都放進去了，所以可以移動，可以當商品賣，是第一臺可以實際移動的量子計算機。但是這臺機器只有20個量子比特，所以它的功能比較差，能力有限?？梢钥闯?，量子計算機正處在從晶體管到集成電路過渡發(fā)展的階段。其實，一個真正實用的通用量子計算機的物理量子比特要達到上千萬位，相干時間要足夠長，還要能夠抵抗各種各樣的干擾，能采用量子容錯技術(shù)。可以看出，這兩個指標是連在一塊的，都非常難達到。這就是為什么通用量子計算機離我們還非常遠的一個困難所在。要判斷一個量子計算任務(wù)能不能完成，有一個參數(shù)稱為Q值，它是相干時間與操作時間的比值，即可以有效操作的次數(shù)。如果某個問題所需要的操作步驟不高于Q值，就可以拿這臺機器完成這個任務(wù)，如果不夠，就必須提高Q值。如果它處理某一些問題的能力能夠超過電子計算機最高速度能力，即它的運算處理問題的速度超過了現(xiàn)在所有運算，這叫量子霸權(quán)。量子霸權(quán)的實現(xiàn)，仍然是專用機，因為它不可以解決所有問題，它只能解決在相干時間里能完成的那類問題，但是量子霸權(quán)做出來以后，還是很有用途的。

三、量子計算機的未來發(fā)展

未來，量子計算機的發(fā)展可以分為量子計算器、專用量子計算器和通用機三個階段。第一階段叫量子計算器。這種計算機的比特數(shù)不要求太多，功能也不用太強，應(yīng)用不必太全面，但是需要五臟俱全，而且確實是按照量子力學運行規(guī)律的數(shù)據(jù)處理器。第二階段是量子霸權(quán)，大概100個比特數(shù)，暫時不考慮它的糾錯容錯，只要能解決某一類問題，這類問題可以在相干時間內(nèi)完成，所以也叫專用量子計算器。因為我們要來解決很多實際的問題，比如說具體的一個項目，需要加快運算速度，這個任務(wù)可以用量子霸權(quán)來做。最后一個階段就是能夠糾錯容錯而比特數(shù)又足夠多，能把所有問題都解決了，這叫通用機。這個不會很快實現(xiàn)。一旦到霸權(quán)階段，我認為可以把它當成一個器件?，F(xiàn)在的量子計算器不賣，但都知道它有多大用處，可以放到網(wǎng)上，讓全世界都可以上網(wǎng)運用它的計算器。

目前量子計算機研究還需要解決兩方面難題。一是量子計算機是人造量子系統(tǒng)，在宏觀環(huán)境下量子相干性會自動消失，從而喪失其量子信息功能。二是人類采用經(jīng)典工具去操控量子器件的狀態(tài)和演化，這種操控能力目前還很差，有待提高。