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(xué)副教授薛巍、付昊桓等人聯(lián)合北京師范大學(xué)組成的研究團隊?wèi){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(yīng)用，一舉摘下國際高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎—戈登貝爾獎。同時，中科院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心基于“神威·太湖之光”的“鈦合金微結(jié)構(gòu)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(xiàn)，中科院、科技部率先部署和支持了高性能計算相關(guān)規(guī)劃與建設(shè)。到2016年，中國科學(xué)院高性能計算環(huán)境已為我國科研服務(wù)20年，支撐了多個國家重大規(guī)劃、千余項國家各類科研項目。

雖然中國高性能計算已經(jīng)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(jīng)在思考未來的發(fā)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(xué)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(guān)，還和“杞人憂天”的物理學(xué)家們有關(guān)。

眾所周知，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度（單位芯片的晶體管數(shù)）。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?lián)Q代。

20世紀80年代，摩爾定律很貼切地反映了信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，但“杞人憂天”的物理學(xué)家們卻提出了一個“大煞風(fēng)景”的問題： 摩爾定律有沒有終結(jié)的時候？

之所以提出這個問題，是因為摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)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(fā)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(xué)家計算出每丟失一個比特所產(chǎn)生的熱量，操作速度越快，單位時間內(nèi)產(chǎn)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(dāng)小到只有一個電子時，量子效應(yīng)就會出現(xiàn)。此時電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應(yīng)，本來無法穿過的壁壘也穿過去了，所以量子效應(yīng)會阻礙信息技術(shù)繼續(xù)按照摩爾定律發(fā)展。

所謂隧道效應(yīng)，即由微觀粒子波動性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢壘貫穿。它在本質(zhì)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(dāng)動能小于勢壘高度時，按照經(jīng)典力學(xué)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(xué)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(xué)家們預(yù)言摩爾定律會終結(jié)的理由所在。

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

這就導(dǎo)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(xiàn)非可逆操作，所以耗能很小；而量子效應(yīng)正是提高量子計算并行運算能力的物理基礎(chǔ)。

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(yīng)，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(xué)家費曼提出的。1985年，英國物理學(xué)家又提出了“量子圖靈機”的概念，之后許多物理學(xué)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(dāng)年這些概念的提出都沒有動搖摩爾定律在信息技術(shù)領(lǐng)域的地位，因為在相當(dāng)長的時間內(nèi)，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(jié)了。微電子未來的發(fā)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(chǔ)研究可能在當(dāng)時看不到有什么實際價值，但未來卻會發(fā)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(shù)學(xué)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(shù)據(jù)，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(zhì)，一個量子比特可以同時存儲兩個數(shù)值，N個量子比特可以同時存儲2的N次方數(shù)據(jù)，操作一次會將這個2的N次方數(shù)據(jù)變成另外一個2的N次方數(shù)據(jù)，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(shù)上升，這是量子計算機來自量子性的優(yōu)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(tǒng)、測量裝置等硬件外，還需要研制與之相關(guān)的軟件，包括編程、算法、量子計算機的體系結(jié)構(gòu)等。

一臺量子計算機運行時，數(shù)據(jù)輸入后，被編制成量子體系的初始狀態(tài)，按照量子計算機欲計算的函數(shù)，運用相應(yīng)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(tài)變成末態(tài)，最后對末態(tài)實施量子測量，讀出運算的結(jié)果。

一臺有N個量子比特的量子計算機，要保證能夠?qū)嵤┮粋€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(gòu)成的幺正操作，完成量子計算機的運算任務(wù)。這是量子芯片的基本要求。如果要超越現(xiàn)有電子計算水平，需要多于1000個量子比特構(gòu)成的芯片。目前，這還無法實現(xiàn)。這種基于“量子圖靈機”的標(biāo)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(xué)科，是需要不同領(lǐng)域的人共同來做才能做成的復(fù)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(xiàn)量子計算最困難的地方在于，這種宏觀量子系統(tǒng)是非常脆弱的，周圍的環(huán)境都會破壞量子相干性（消相干），一旦量子特性被破壞，將導(dǎo)致量子計算機并行運算能力基礎(chǔ)消失，變成經(jīng)典的串行運算。

所以，早期許多科學(xué)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(xué)家發(fā)明了量子編碼。

量子編碼的發(fā)現(xiàn)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(xué)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?qū)⒄麄€系統(tǒng)糾回理想的狀態(tài)。這是非常關(guān)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(jié)構(gòu)有關(guān)，考慮到量子計算的實際構(gòu)型問題，在一維或準一維的構(gòu)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(dǎo)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(biāo)就是研制大規(guī)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(jīng)從早期對各種可能的物理系統(tǒng)的廣泛研究，逐步聚焦到了少數(shù)物理系統(tǒng)。

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(fā)現(xiàn)許多體系根本不可能最終做成量子計算機，所以他們轉(zhuǎn)而重點支持固態(tài)系統(tǒng)。

固態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點是易于集成（能夠升級量子比特數(shù)目），但缺點是容錯性不好，固態(tài)系統(tǒng)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(gòu)，如美國哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)，日本東京大學(xué)，荷蘭Delft大學(xué)等都做了很大的努力，在半導(dǎo)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(dǎo)體量子芯片的相干時間已經(jīng)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(xiàn)了兩個比特的CNOT（受控非）。

雖然國際同行關(guān)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(xiàn)雙量子點，2012～2013年實現(xiàn)兩個量子點編碼的單量子比特， 2014～2015年實現(xiàn)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(xiàn)了三個比特量子門操作，已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平。

超導(dǎo)量子芯片要比半導(dǎo)體量子芯片發(fā)展得更快。

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

超導(dǎo)量子計算在某些指標(biāo)上有更好的表現(xiàn)，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(jīng)實現(xiàn)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(fā)測量的精度。

5.在量子存儲方面，實現(xiàn)超高品質(zhì)因子諧振腔。

美國從90年代到現(xiàn)在，在基礎(chǔ)研究階段超導(dǎo)領(lǐng)域的突破已經(jīng)引起了企業(yè)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(lǐng)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(lǐng)域的布局。它從加州大學(xué)圣芭芭拉分校高薪引進國際上超導(dǎo)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(biāo)—明年做到50個量子比特。定這個目標(biāo)是因為，如果能做49個量子比特的話，在大數(shù)據(jù)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(xiàn)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?nèi)杂袡C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(fā)展確實也更快。

量子計算是量子信息領(lǐng)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(biāo)超越世界其他國家，各個大公司的積極性也被調(diào)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(dǎo)，主要做基礎(chǔ)研究；第二階段，企業(yè)開始投入；第三階段，加快產(chǎn)出速度。

反觀中國的量子計算機發(fā)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(yīng)當(dāng)“三駕馬車”一起發(fā)展，硬件、軟件、材料三個都要布局。

盡管我國的量子計算機發(fā)展落后，但量子計算機尚未研制成功，我們?nèi)杂袡C會，只是時間已越來越緊迫！只要能發(fā)揮我國制度的優(yōu)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(zhuǎn)自科普中國）