中國科研人的量子計算機研制之路

2016年11月18日，中科院軟件所研究員楊超與清華大學副教授薛巍、付昊桓等人聯合北京師范大學組成的研究團隊憑借在“神威·太湖之光”上運行的“千萬核可擴展全球大氣非靜力云分辨模擬”應用，一舉摘下國際高性能計算應用領域最高獎—戈登貝爾獎。同時，中科院計算機網絡信息中心基于“神威·太湖之光”的“鈦合金微結構演化相場模擬”也成功入圍，獲得提名。

高性能計算能力是國家重要科技實力的體現，中科院、科技部率先部署和支持了高性能計算相關規劃與建設。到2016年，中國科學院高性能計算環境已為我國科研服務20年，支撐了多個國家重大規劃、千余項國家各類科研項目。

雖然中國高性能計算已經取得了里程碑性的成績，但是科研工作者的腳步不會停止。他們已經在思考未來的發展方向在哪里，并將目光瞄向了“天然的超級計算機”—量子計算機。

“杞人憂天”的物理學家們與量子計算機的誕生

量子計算機的誕生和著名的摩爾定律有關，還和“杞人憂天”的物理學家們有關。

眾所周知，摩爾定律的技術基礎是不斷提高電子芯片的集成度（單位芯片的晶體管數）。集成度不斷提高，速度就不斷加快，我們的手機、電腦就能不斷更新換代。

20世紀80年代，摩爾定律很貼切地反映了信息技術行業的發展，但“杞人憂天”的物理學家們卻提出了一個“大煞風景”的問題： 摩爾定律有沒有終結的時候？

之所以提出這個問題，是因為摩爾定律的技術基礎天然地受到兩個主要物理限制。

一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險。芯片發熱主要是因為計算機門操作時，其中不可逆門操作會丟失比特。物理學家計算出每丟失一個比特所產生的熱量，操作速度越快，單位時間內產生的熱量就越多，計算機溫度必然迅速上升，這時必須消耗大量能量來散熱，否則芯片將被燒壞。

二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當小到只有一個電子時，量子效應就會出現。此時電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應，本來無法穿過的壁壘也穿過去了，所以量子效應會阻礙信息技術繼續按照摩爾定律發展。

所謂隧道效應，即由微觀粒子波動性所確定的量子效應，又稱勢壘貫穿。它在本質上是量子躍遷，粒子迅速穿越勢壘。在勢壘一邊平動的粒子，當動能小于勢壘高度時，按照經典力學的說法，粒子是不可能越過勢壘的；而對于微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘，實際上也的確如此。

這兩個限制就是物理學家們預言摩爾定律會終結的理由所在。

雖然這個預言在當時沒有任何影響力，但“杞人憂天”的物理學家們并不“死心”，繼續研究，提出了第二個問題：如果摩爾定律終結，在后摩爾時代，提高運算速度的途徑是什么？

這就導致了量子計算概念的誕生。

量子計算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會出現非可逆操作，所以耗能很小；而量子效應正是提高量子計算并行運算能力的物理基礎。

甲之砒霜，乙之蜜糖。它們對于電子計算機來說是障礙的量子效應，對于量子計算機來說，反而成了資源。

量子計算的概念最早是1982年由美國物理學家費曼提出的。1985年，英國物理學家又提出了“量子圖靈機”的概念，之后許多物理學家將“量子圖靈機”等效為量子的電子線路模型，并開始付諸實踐。但當年這些概念的提出都沒有動搖摩爾定律在信息技術領域的地位，因為在相當長的時間內，摩爾定律依然在支撐著電子計算機的運算速度的飛速提高。

直到今年，美國政府宣布，摩爾定律終結了。微電子未來的發展是低能耗、專用這兩個方向，而不再是追求速度。

由此可見，基礎研究可能在當時看不到有什么實際價值，但未來卻會發揮出巨大作用。

量子計算機雖然好，研制起來卻非常難

量子計算機和電子計算機一樣，其功用在于計算具體數學問題。不同的是，電子計算機所用的電子存儲器在某個時間只能存一個數據，它是確定的，操作一次就把一個比特（bit，存儲器最小單元）變成另一個比特，實行串行運算模式；而量子計算機利用量子性質，一個量子比特可以同時存儲兩個數值，N個量子比特可以同時存儲2的N次方數據，操作一次會將這個2的N次方數據變成另外一個2的N次方數據，以此類推，運行模式為一個CPU的并行運算模式，運行操作能力指數上升，這是量子計算機來自量子性的優點。量子計算本來就是并行運算，所以說量子計算機天然就是“超級計算機”。

要想研制量子計算機，除了要研制芯片、控制系統、測量裝置等硬件外，還需要研制與之相關的軟件，包括編程、算法、量子計算機的體系結構等。

一臺量子計算機運行時，數據輸入后，被編制成量子體系的初始狀態，按照量子計算機欲計算的函數，運用相應的量子算法和編程，編制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作變換，將量子計算機的初態變成末態，最后對末態實施量子測量，讀出運算的結果。

一臺有N個量子比特的量子計算機，要保證能夠實施一個量子比特的任意操作和任意兩個量子比特的受控非操作，才能進行由這兩個普適門操作的組合所構成的幺正操作，完成量子計算機的運算任務。這是量子芯片的基本要求。如果要超越現有電子計算水平，需要多于1000個量子比特構成的芯片。目前，這還無法實現。這種基于“量子圖靈機”的標準量子計算是量子計算機研制的主流。

除此以外，還有其他量子計算模型，如單向量子計算、分布式量子計算，但其研制的困難程度并沒有減小。另外，還有拓撲量子計算、絕熱量子計算等。

由于對硬件和軟件的全新要求，量子計算機的所有方面都需要重新進行研究，這就意味著量子計算是非常重要的交叉學科，是需要不同領域的人共同來做才能做成的復雜工程。

把量子計算機從“垃圾桶”撿回來的量子編碼與容錯編碼

實現量子計算最困難的地方在于，這種宏觀量子系統是非常脆弱的，周圍的環境都會破壞量子相干性（消相干），一旦量子特性被破壞，將導致量子計算機并行運算能力基礎消失，變成經典的串行運算。

所以，早期許多科學家認為量子計算機只是紙上談兵，不可能被制造出來。直到后來，科學家發明了量子編碼。

量子編碼的發現等于把量子計算機從“垃圾桶”里又撿回來了。

采用起碼5個量子比特編碼成1個邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯誤。

不僅如此，為了避免在操作中的錯誤，使其能夠及時糾錯，科學家又研究容錯編碼，在所有量子操作都可能出錯的情況下，它仍然能夠將整個系統糾回理想的狀態。這是非常關鍵的。

什么條件下能容錯呢？這里有個容錯閾值定理。每次操作，出錯率要低于某個閾值，如果大于這個閾值，則無法容錯。

這個閾值具體是多大呢？

這與計算機結構有關，考慮到量子計算的實際構型問題，在一維或準一維的構型中，容錯的閾值為10^-5，在二維情況（采用表面碼來編碼比特）中，閾值為10^-2。

目前，英國Lucas團隊的離子阱模型、美國Martinis團隊的超導模型在單、雙比特下操作精度已達到這個閾值。

所以，我們的目標就是研制大規模具有容錯能力的通用量子計算機。

量子計算機的“量子芯”

量子芯片的研究已經從早期對各種可能的物理系統的廣泛研究，逐步聚焦到了少數物理系統。

20世紀90年代時，美國不知道什么樣的物理體系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，發現許多體系根本不可能最終做成量子計算機，所以他們轉而重點支持固態系統。

固態系統的優點是易于集成（能夠升級量子比特數目），但缺點是容錯性不好，固態系統的消相干特別嚴重，相干時間很短，操控誤差大。

2004年以來，世界上許多著名的研究機構，如美國哈佛大學、麻省理工學院、普林斯頓大學，日本東京大學，荷蘭Delft大學等都做了很大的努力，在半導體量子點作為未來量子芯片的研究方面取得了一系列重大進展。最近幾年，半導體量子芯片的相干時間已經提高到200微秒。

國際上，在自旋量子比特研究方面，于2012年做到兩個比特之后，一直到2015年，還是停留在四個量子點編碼的兩個自旋量子比特研究上，實現了兩個比特的CNOT（受控非）。

雖然國際同行關于電荷量子比特的研究比我們早，但是至今也只做到四個量子點編碼的兩個比特。我們研究組在電荷量子比特上的研究，2010年左右制備單個量子點，2011年實現雙量子點，2012～2013年實現兩個量子點編碼的單量子比特， 2014～2015年實現四量子點編碼的兩個電荷量子比特。目前，已研制成六個量子點編碼為三個量子比特，并實現了三個比特量子門操作，已經達到國際領先水平。

超導量子芯片要比半導體量子芯片發展得更快。

近幾年，科學家使用各種方法把超導的相干時間盡可能拉長，到現在已達到了100多微秒。這花了13年的基礎研究，相干時間比原來提高了5萬倍。

超導量子計算在某些指標上有更好的表現，比如：

1.量子退相干時間超過0.1ms，高于邏輯門操作時間1000倍以上，接近可實用化的下限。

2.單比特和兩比特門運算的保真度分別達到99.94%和99.4%，達到量子計算理論的容錯率閾值要求。

3.已經實現9個量子比特的可控耦合。

4.在量子非破壞性測量中，達到單發測量的精度。

5.在量子存儲方面，實現超高品質因子諧振腔。

美國從90年代到現在，在基礎研究階段超導領域的突破已經引起了企業的重視。美國所有重大的科技公司，包括微軟、蘋果、谷歌都在量子計算機研制領域投入了巨大的力量，盡最大的努力來爭奪量子計算機這塊“巨大的蛋糕”！

其中，最典型的就是谷歌在量子計算機領域的布局。它從加州大學圣芭芭拉分校高薪引進國際上超導芯片做得最好的J. Matinis團隊（23人），從事量子人工智能方面的研究。

他們制定了一個目標—明年做到50個量子比特。定這個目標是因為，如果能做49個量子比特的話，在大數據處理等方面，就遠遠超過了電子計算機所有可能的能力。

整體來看，量子計算現在正處于“從晶體管向集成電路過渡階段”。

尚未研制成功的量子計算機，我們仍有機會！

很多人都問，實際可用的量子計算機究竟什么時候能做出來？

中國和歐洲估計需要15年，美國可能會更快，美國目前的發展確實也更快。

量子計算是量子信息領域的主流研究方向，從90年代開始，美國就在這方面花大力氣進行研究，在硬件、軟件、材料各個方面投入巨大，并且它有完整的對量子計算研究的整體策劃，不僅各個指標超越世界其他國家，各個大公司的積極性也被調動了起來。

美國的量子計算機研制之路分三個階段：第一階段，由政府主導，主要做基礎研究；第二階段，企業開始投入；第三階段，加快產出速度。

反觀中國的量子計算機發展，明顯落后于其他國家，軟件、材料幾乎沒有人做，軟硬件是相輔相成的，材料研究也需提早做準備。作為“十三五”重大科技項目，量子計算機應當“三駕馬車”一起發展，硬件、軟件、材料三個都要布局。

盡管我國的量子計算機發展落后，但量子計算機尚未研制成功，我們仍有機會，只是時間已越來越緊迫！只要能發揮我國制度的優越性，集中資源，有步驟地合理布局、支持，仍然大有可為！

（本文轉自科普中國）