量子計算機的發展現狀與趨勢

郭光燦 周正威 郭國平 涂 濤

（中國科學技術大學中國科學院量子信息重點實驗室 合肥 230026）

量子計算機的發展現狀與趨勢

郭光燦 周正威 郭國平 涂 濤

（中國科學技術大學中國科學院量子信息重點實驗室 合肥 230026）

量子計算機是一種新型的運算工具，它具有強大的并行處理數據的能力，可解決現有計算機難以運算的數學問題，因此，它成為世界各國戰略競爭的焦點。本文綜述了量子計算機目前的發展狀況和可擴展、可容錯的量子計算機物理體系的實驗研究進展，并分析了美國最近啟動研制量子芯片的微型曼哈頓計劃對我國構成的嚴峻挑戰。

量子信息，量子計算機，量子芯片，微型曼哈頓計劃

郭光燦院士

1 量子計算機的研究概況

量子信息科學是利用量子體系的獨特性質對計算、編碼、信息處理和傳輸過程給予新的詮釋，開發新的、更為高效的信息處理功能的一門學科，它是現代科學技術發展的必然結果。量子信息科學的研究為物理學、信息科學、材料科學乃至整個科學注入了新的生命力，同時對推動相關高新技術的發展以及人類社會的進步具有深遠的意義。

量子信息科學的核心目標是實現真正意義上的量子計算機和實現絕對安全的、可實用化的長程量子通信。目前，量子密碼技術正從實驗室研究走向實際應用，研究實用系統的安全性以及提高實用性能成為該方向的主要課題；量子計算機的研究尚在起步階段，但它以其獨特的魅力正吸引著越來越多的科學家和工程技術人員加入這個研究陣營。

量子計算機與現有的電子計算機以及正在研究的光計算機、生物計算機等的根本區別在于，其信息單元不是比特（bit，兩個狀態分別用0或1表示），而是量子比特（qubit），即兩個狀態是0和1的相應量子態疊加，因此單個量子CPU具有強大的平行處理數據的能力，而且，其運算能力隨量子處理器數目的增加呈指數增強。這將為人類處理海量數據提供無比強大的運算工具。作為一個應用例子，Shor業已證明，運用量子并行算法可以輕而易舉地攻破現在廣泛使用的RSA公鑰體系。

1985年，英國牛津大學的Deutsch建立了量子圖靈機的模型。隨后，他把建立一個普適量子計算機的任務轉化為建立由量子邏輯門所構成的邏輯網絡。1995年，人們發現量子計算機的邏輯網絡可以由結構更為簡單的邏輯門集構成，即采用單量子比特的任意旋轉和雙量子比特的受控非門，就可以搭建任意的量子電路。這就是所謂的量子計算機標準模型。

如果要在真實的物理體系中實現量子計算的功能，該物理體系必須滿足所謂的Divincenzo。鑒于很難找到某個物理系統能同時滿足這個判據，科學家提出若干個替代標準模型的量子計算方案。

1.1 拓撲量子計算

該方案最初由數學物理學家Kitaev于1997年提出。他利用特殊系統不受小擾動影響的拓撲量子性質來構造量子計算機，從而可以實現容錯的量子計算。目前，這一領域在國際學術界得到很大的重視，哈佛大學、哥倫比亞大學、芝加哥大學、加州理工學院等一流學校已開始了理論和實驗方面的研究。

二維空間系統存在具有分數統計的準粒子，被稱為任意子，任意子的統計包含阿貝爾和非阿貝爾兩種，非阿貝爾任意子的拓撲性質能夠用來做拓撲量子計算。用于做拓撲量子計算的任意子具有以下特點：

（1）有一系列不同類型的準粒子，用于信息的初始化。

（2）任意子的交換和旋轉滿足群論中的辮群規則，可以實現拓撲量子門，用來處理信息。

（3）拓撲量子計算中信息編碼是非局域的，基本上不受周圍環境的影響，因此錯誤率很低，具有自動容錯的功能。

（4）滿足干涉測量中的Bunching規則，可用于信息讀取。

目前的研究表明，二維系統的非阿貝爾統計的任意子態最有可能在填充因子為5/2的分數量子霍爾效應中實現。2009年，美國哈佛大學和以色列Weizmann研究所同時報道在實驗上證實了這類態的存在，并在此態上構建了基本的量子位。

1.2 單向量子計算

單向量子計算是R.Raussendorf和H. Briegel在2000年提出的一種新的途徑。其思想是利用量子糾纏態以及局域操作和經典通信過程，可以傳遞非局域的相互作用，從而等價地實現非局域哈密頓量的功能。因此，可建立一種高度糾纏的狀態（至少是二維的），稱為圖態，只需要通過對相鄰的幾個量子比特進行LOCC過程，測量結束之后，可以等效地實現對出發端的量子比特的普適邏輯門操作。這樣一來，圖態就像是一個面包板，我們將有待實施的量子電路設計出來，將每個原件插上去就可以實現相應的量子操作。顯然，量子計算標準模型的難度在這里就轉化為如何高效而精確地實現一個超大量子比特數目的圖態上。

1.3 絕熱量子計算

絕熱量子計算最先是由MIT的Golbstone等人提出，其核心思想是通過絕熱演化的特性來等效地實現量子幺正變換。我們知道，在絕對零度時，如果系統的初態處于基態，那么絕熱地變換系統哈密頓量的參數，只要不出現基態和激發態的能級交叉，原則上體系始終處于基態。然而，系統演化前后的基態之間必然有一個幺正變換聯系。如果這個幺正變換恰恰就是我們所需要的幺正變換，那么量子計算也就可以通過這個絕熱過程完成。

該方案的優點在于，在理想情況下，系統始終處于基態，從而不存在退相干問題；其缺點是絕熱的條件依賴于基態和第一激發態的能隙，能隙越小，所需要的絕熱演化的時間就越長，如果隨計算量的變大，絕熱演化時間指數相應地變長，那么就失去了量子計算的意義。

近十多年來，著名刊物Nature和Science平均每個月發表一篇量子計算機研究的論文，但至今量子計算仍然未有突破性的進展。在少數量子比特的物理體系統中，人們成功地演示了量子計算的原理、邏輯門操作、量子編碼和量子算法等，證實量子計算的實現不存在原則性困難。但真正要研制出量子計算機，存在兩大主要障礙，其一是物理可擴展性問題，即如何實現成千上萬個量子比特，并能有效地進行相干操控；其二是容錯計算問題，即量子操作的出錯率如何能減少到低于閥值，確保計算結果的可靠性。

當前，人們一方面尋找可擴展可容錯的量子計算體系，另一方面著手研究技術難度較低的量子仿真。量子仿真的目的就是發展出一套多體系統相干操控的手段，通過實驗直接操控、觀測人工多體系統的演化行為，為強關聯物理學等提供完美的檢測場所。量子仿真的研究很可能帶來全新的科學發現（如新物質態的發現）。

2 具有可集成性的量子計算體系的實驗進展

目前，國際學術界主流較為認可的量子計算物理體系是：量子點、超導、腔電動力學、離子或原子體系。

2.1 量子點體系

半導體量子點借鑒成熟的微加工方法，在半導體二維電子氣上制備成單電子晶體管，其電子服從量子力學規律，可以將電子自旋的向上和向下作為量子信息單元1和0。這種利用半導體器件上的電子自旋進行量子信息處理的量子點體系被認為是最有希望成為未來量子計算機的方向之一。

從1998年D.Loss和D.P.Divincenzo提出利用量子點中的電子自旋作固態量子計算開始，國際上多個著名研究機構在半導體量子點作為未來可擴展的量子計算器件的實驗研究中取得一系列重大進展。半導體量子點作為量子芯片應具備的基本條件：量子比特的制備、量子邏輯門操作、量子測量和量子相干性。這些基本條件在實驗中都已成功實現。著名量子信息專家、美國IBM公司資深研究員D.P.Divincenzo在Science雜志專門發表評論，認為半導體量子點作為未來量子計算的元器件——量子芯片是一條真實可行的路（圖1）。

圖1 兩個自旋量子比特到量子芯片的示意圖

盡管利用半導體量子點和自旋進行量子信息處理已獲得許多令人矚目的進展，但是要成為真正實用的量子芯片還有很多困難需要解決。量子芯片本質上利用了量子相干性，而半導體量子點體系受周邊環境的影響比較嚴重，控制和維持其量子相干狀態遇到了更大的挑戰。

2.2 超導量子電路

超導量子計算的核心單元是一種被稱為Josephson結的電子器件。按照表征量子比特的不同，Josephson量子電路大致可劃分為電荷、磁通和相位3大類型。與原子和光子之類的天然量子體系相比，Josephson量子電路這種人工量子體系具有以下特點：

（1）Josephson量子電路中的能級結構可以通過對電路的設計來制定，也可以通過外加的電磁信號進行調控。

（2）基于現有的微電子制造工藝，Josephson量子電路具有良好的可擴展性，這種可擴展性既包括Josephson量子電路之間的級聯，也包括Josephson量子電路與其他量子體系之間的耦合。

量子信息領域內的多數學者認為，這些優點使得超導量子電路是最具潛力、也最有可能率先實現有實用價值的大規模量子信息處理器的物理方案之一。目前，單量子比特邏輯門操作已在不同種類的Josephson器件上實現，而雙量子比特邏輯門也陸續在不同的超導量子電路中完成。最近，人們在超導傳輸線腔、SQUID諧振子和納米機械諧振子等介觀諧振子器件方面取得了很有意義的進展。由于這些介觀諧振子體系的本征頻率都在GHz范圍，與超導量子比特在同一量級，因此，將不同類型的超導量子電路和各種諧振子器件耦合，以實現量子邏輯門或模擬各種量子光學現象得到了相當的關注（圖2，圖3）。

超導量子計算雖然是現今各種量子計算方案中發展最快、可集成電路性最好、潛力最大的方案之一，但是即便如此，現今超導量子計算仍然還處在搖籃階段，人們最多能夠實現的只有1—4個量子比特的耦合，而今各種Josephson量子電路的消相干時間處在各自的單量子比特操作時間的102—103，距離實現量子糾錯編碼所需要的104次單量子比特操作的閾值仍有較大差距。未來的超導量子計算發展必須要解決兩個重要問題，其一是延長量子比特的相干時間；其二是改進量子比特之間的耦合方式。

圖2 持久電流的超導量子比特

圖3 超導電荷量子比特與平板傳輸線腔之間耦合的示意圖

2.3 離子阱體系

離子阱體系是最早嘗試實現量子計算的物理體系。該體系實現量子計算的理論方案最早由Cirac和Zoller于1994年提出，同年，美國國家標準技術局（NIST）的實驗組開始了該方向的實驗研究。該系統在單、雙量子比特的實驗進展方面達到了非常高的水平。目前，主要研究集中在提高量子操控的單元技術，以達到容錯量子計算的要求；以及如何擴展該體系，實現多位的量子信息過程兩個方面。

離子間的庫侖斥力和軸向的諧振子勢，使得N個離子在軸向形成N個振動（聲子）模式，這些振動模式成為傳導離子內態之間相互作用的“信使”。通過聲子—激光—離子三者的作用可實現量子信息的初態制備、操控和讀取（圖4）。

圖4 離子阱量子操作示意圖

目前，科學家已制備出8個離子的W態，保真度達72%，制備了6個離子的薛定諤貓態，保真度超過50.9%。為解決離子阱體系的物理可擴展性問題，人們已提出若干有效方案，圖5是美國Monroe組的T型分區離子阱示意圖。據悉，美國已啟動研制50—80量子比特的離子阱量子計算的計劃，期待有重大突破。

2.4 腔量子電動力學（QED）體系

這種類型的量子計算是基于腔模和偶極子之間的強耦合，有效地提供了光子與兩能級量子體系（原子、量子點等）之間的相互作用，實現兩個量子比特的可控操作。這種方案的優勢之一是原子作為靜止量子比特，適用于存儲信息，而光子作為飛行量子比特，適合于傳遞和交換信息。而且，量子光學理論能夠精確處理腔量子電動力學的問題。

然而，從量子計算的可擴展性出發，現在的傳統光學腔也面臨很多困難，比如其品質因數很難進一步提高，擴展多個比特需要更多的光腔，使體系變得很復雜，也無法做到集成。為此，國際上很多著名的研究小組開始將目光轉移到尋找新的光學微型腔體系（如圖6）。現在研究最為熱門的光學微腔主要有回音壁模式微腔和光子晶體缺陷微腔。以回音壁模式微腔為例，這種腔具有極高的品質因數和較小的模式體積，可以提供更強的原子光場相干強度。此外回音壁模式的微腔加工工藝是基于傳統的半導體刻蝕技術，很容易集成。目前，利用回音壁模式微腔進行量子電動力學和量子信息的研究已經成為國際上研究的一個熱點。

光學微腔和光學F-P腔一樣，首先要實現的是單個原子和腔模的強耦合，這涉及到如何將單個粒子放入腔中和調諧腔模如何與粒子共振這兩個技術。迄今這兩個技術尚未獲得完滿解決。

圖5 Monroe組的T型分區離子阱的示意圖。左圖為俯視的結構圖，右圖為實物圖的照片

圖6 目前常見的幾種微腔的比較

目前，光學微腔的飛速發展以及微腔與量子點的結合，有可能在一塊硅芯片上集成固態微腔陣列，其中每個微腔里面都有與微腔強耦合的原子（量子點等其他粒子）作為量子比特，而由光波導中傳輸的光子構成了系統的總線（如圖7）。

圖7 基于回音壁模式微腔芯片的可擴展量子計算設想

3 “微型曼哈頓計劃”的挑戰

近幾年，美國啟動了一個研究量子芯片的計劃。該計劃勢必加快量子計算機的研究進程，并將觸動國際上新一輪的激烈競爭。半導體芯片幾十年來一直沿著摩爾定律發展，而單位芯片上晶體管數目越來越多，而每個晶體管的尺寸越來越小，目前已經小到如圖8所示的一個流感病毒的大小！

同時，每個晶體管電子數目越來越少，量子效應越來越明顯，按照傳統模式，人們將到達控制電子的物理極限！當每個晶體管縮小到只容納一個電子，即單電子晶體管（量子點）（圖9），其中的電子必然滿足量子力學的物理規律，因此芯片的可持續發展必然依賴于新一代基于量子力學的計算芯片！

量子計算是芯片突破現有半導體微電子技術物理極限的必然產物，將成為后摩爾時代具有標志性的新技術和未來信息技術的戰略制高點。美國前總統布什于2006年1月31日的國情咨文中宣布了 “美國競爭力計劃”，在這項富有進取心的長期舉措中，第四條為“突破技術障礙，實現量子信息處理技術的實際應用”。2009年，由美國總統科技顧問牽頭的美國科學技術委員會發布了關于量子信息科學的聯邦報告，呼吁國家安全局、DARPA、NSF、NIST、Los Alamos和Sandia國家實驗室等多個軍事機構一起協調開展量子計算的研究。

基于量子芯片在下一代產業和國家安全等方面的重要性，美國DARPA負責人Tether博士在向美國眾議院軍事委員會做報告時，將半導體量子芯片科技列為未來9大戰略研究計劃的第二位，并仿照當年曼哈頓工程制造原子彈的成功先例，投巨資啟動“mini-Manhattan project”（微型曼哈頓計劃），集中了包括Intel、IBM公司等半導體界巨頭以及哈佛大學、普林斯頓大學、Sandia國家實驗室等著名研究機構，在國家層面上組織各部門跨學科統籌攻關，以期占領未來量子計算技術的戰略制高點。眾所周知，DARPA常常提出意義十分重大，但富有風險性和挑戰性的項目。這些看似不可能的計劃，一旦突破將產生巨大的效果，大大增強美國的戰略競爭能力，例如因特網、衛星定位系統、隱形飛機等就是其成功的例子。現在他們將目光聚焦到量子芯片的研制上，期待在量子計算技術的戰略競爭中搶占制高點。

日本和歐共體在美國微型曼哈頓計劃的刺激下也緊跟其后啟動類似計劃，引發了新一輪關于量子計算技術的國際競爭。

圖8 流感病毒和晶體管的尺寸比較

圖9 單電子晶體管

雖然中國是世界上電子計算機生產制造大國，也涌現了像神威、銀河、曙光這樣的超級計算機，但縱觀我國的微電子發展狀況，國產半導體芯片無論在性能上，還是數量、品種上都遠遠不能滿足需要，計算機芯片依然主要依賴進口。據2008年統計（表1、表2），我國半導體芯片進口額已超過石油和農產品位列進口產品第一位！

表1 2009中國高性能計算機前十

新一輪國際戰略競爭的焦點是“量子芯片”，這是我國改變目前在微電子工業受制于人的被動局面的新機遇。我們不能再重蹈沒有核“芯”技術的舊轍，應當在起跑線上采取有力措施，參與這場關系到國家重大利益的激烈競爭。我國“中長期科技發展綱要”將“量子調控”列入重大基礎研究計劃，這是富有前瞻性的戰略布局。這個計劃的實施有力推動了量子信息這個新興高技術在我國的發展。近幾年來，我國在量子密碼技術、多光子糾纏等方面取得重要進展。圖10和11是中國科技大學中科院量子信息實驗室在新型材料GeSi和石墨烯上制備的雙量子點，這是研制量子芯片的基礎。

表2 2008年我國集成電路和部分產品的進口額比較

圖10 GeSi雙量子點

圖11 石墨烯雙量子點

盡管不斷地取得研究進展，但鑒于基礎較弱，研究積累較薄，我國在國際主流方向上做出原創性的成果還很少，總體水平明顯落后于西方強國，特別是在量子計算機這個學科主流方向上，差距正日益增大。當前美國啟動的“微型曼哈頓計劃”對我國是個嚴峻挑戰。因此，在保持“量子調控”重大專項的基礎上，迫切需要另一個類似于“微型曼哈頓計劃”，有一定冒險性的專項計劃，組織國內精銳研究隊伍，提供足夠強大的支撐，加強相關的基礎建設，實實在在去尋求突破，在下一代量子芯片的國際競爭中搶占戰略制高點。

1周正威，涂濤，龔明等.量子計算的進展和展望.物理學進展，2009，29(3):127-165.

2 Kitaer A Y.Fault-tolerant quantum computation by anyons.Annals Phys,2003,303(1):2-30.

3 Raussendorf R,Briegel H J.A one-way quantum computer.Phys Rev Lett,2001,86(22):5188-5191.

4 Farhi E,Goldstone J,Gutmann S et al.arXiv:quantph/001106.

5 Loss D,DiVincenzo D P.Quantum computation with quantum dots.Phys Rev A,1998,57(1):120-126.

6 Makhlin Y,Shnirman A，Schon G,Quantum-state engineering with Josephson-junction devices.Rev Mod Phys,2001,73(2):357-400.

7 Cirac J I,Zoller P.Quantum computations with cold trapped ions.Phys Rev Lett，1995，74(20):4 091-4 094.

8 Sleator T,Weinfurter H.Realizable universal quantum logic gates.Phys Rev Lett,1995,74(20): 4 087-4 090.

9 Xiao Y F，Han Z F，Guo G C.Quantum computation computation without strict strong coupling on a silicon chip.Phys Rev A，2006，73(5):052324(1-6).

AbstractBased on the peculiar quantum property,quantum computer provides the mankind with a new type of operational tool,which has a powerful capability for parallel processing of data to be able to allow it to tackle problems that are intractable on the existing computers.Therefore,it has become a focus of worldwide strategic competition.This paper gives an overview of the development status of quantum computer and the advances of the experimental researches in the physical system of extendable and fault-tolerant quantum computer.In particular,the paper analyzes the severe challenge presented to China by the recent starting of the development of mini-Manhattan Project on quantum chips supported by US Government and military funding agencies.

Keywordsquantum information,quantum computer,quantum chip,mini-Manhattan Project

郭光燦 中國科學院院士，發展中國家科學院院士，中國科學技術大學教授。1942年出生。研究方向：量子光學，量子信息。E-mail:gcguo@ustc.edu.cn

Present Status and Trends of Development of Quantum Computers

Guo Guangcan Zhou Zhengwei Guo Guoping Tu Tao
（Key Laboratory of Quantum Information,University of Science and Technology of China,CAS 230026 Hefei）

10.3969/j.issn.1000-3045.2010.05.006

2010年8月15日