郭光灿:量子计算机的研究进展

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量子计算机是量子信息领域最具颠覆性的技术,也是难度最大的技术。大家很关注它的研究进展,这就是本文要阐述的主要内容。 一、量子计算机的特点 量子计算机和电子计算机最大
量子计算机是量子信息领域最具颠覆性的技术,也是难度最大的技术。大家很关注它的研究进展,这就是本文要阐述的主要内容。 一、量子计算机的特点 量子计算机和电子计算机最大的区别在于:量子计算机是并行运算模式,电子计算机是串行运算模式。量子计算机的优点是可以提高数据处理的速度。在下列几个方面有着应用优势:一是可以改变某些问题的计算复杂度。如果一个问题在电子计算机是 NP 问题,比如大数分成两个素数,电子计算机是难以计算的。量子计算机可以将其变为 P 问题,很容易计算。当然,目前的量子算法没法证明所有电子计算机的NP 问题都可以变成 P 问题。二是对于电子计算机上的 P 问题,量子计算机有加速运算的功能。比如说搜寻问题,在电子计算机上需要运算 N 次,而量子计算机只要N的开方次。搜寻问题是我们经常用的问题,这个可以在很多方面发挥作用。三是模拟计算问题,比如说制造药物,需要先在计算机上模拟,看哪一种药效更好,这涉及到多体系统的模拟,电子计算机需指数上升的时间,而在量子计算机上进行模拟,就是 P问题。所以,量子计算机出现以后,在药物制备方面就可以以极快速度进行筛选。 量子计算机同电子计算机的功能一样,都是用来解数学问题,不同的是,量子计算机用的是量子芯片,采用并行运算模式。电子计算机用的是电子芯片,采用串行运算模式。所以,量子计算机处理数据的速度更快。量子计算要算一个函数,需要找到合适的量子算法进行编程,用这个程序控制量子计算机,让它按人们的需要运行,最后把问题计算出来。这就是量子计算大概的构成。 二、量子计算机的研究进展 量子计算机的实现涉及到很多方面的问题,包括硬件问题(如量子芯片、操控系统、量子测量等)、软件问题(如量子算法、量子编码、量子系统结构等)以及量子材料等。就量子材料而言,用于制备量子芯片的材料必须是特殊材料,要量子相干时间长、操作快。现在还没有这种材料,如果有了这种材料,量子计算机就可以实现通用计算。 量子计算机要求非常高,需要的量子比特非常多,所以很多体系演示一个、两个或者十个、八个可以,最终做到集成,若演示成千上亿个就很难。现在研究的多是固态的超导、半导体,它的集成性好,但是有一个缺点,量子相干性非常差,因为固态很复杂,在周围环境的作用下其相干性就消失了,量子的优点也就没了。由于找不到合适的物理体系可以做量子芯片,长期人们对量子计算机体系实现没有信心。最近量子点的相干时间达到 200 微秒,使人们又重拾对研制量子计算机的热情。我国起步比较晚,2001 年才开始做,目前已经做到三个量子比特,正在做 4 个量子比特。国际上,虽然现在超导做得比较好,但超导量子相干性非常差,科学家们花了13 年的时间把它提高了 5 万倍,达到 100 微妙,加快了量子计算的步伐。这就是最近几年超导量子计算机发展的原因。 美国政府 2016 年宣布在 5 年之内要做几十个量子比特、供科学家研究的量子计算机。美国休斯实验室都在搞量子计算,而且不是遥遥无期,已经很有可能了。欧洲《量子宣言》指出,打算 15 年内把可以实际用的通用量子计算机或者至少把样机做出来。现在量子计算机发展势头良好,在半导体量子计算机方面,美国军方、澳大利亚已经做到两个量子比特。 近期,IBM 公司的量子计算机已经研制出来了,是可以独立的量子计算机。它把所有操作系统和所有的软件都放进去了,所以可以移动,可以当商品卖,是第一台可以实际移动的量子计算机。但是这台机器只有 20 个量子比特,所以它的功能比较差,能力有限。可以看出,量子计算机正处在从晶体管到集成电路过渡发展的阶段。其实,一个真正实用的通用量子计算机的物理量子比特要达到上千万位,相干时间要足够长,还要能够抵抗各种各样的干扰,能采用量子容错技术。可以看出,这两个指标是连在一块的,都非常难达到。这就是为什么通用量子计算机离我们还非常远的一个困难所在。要判断一个量子计算任务能不能完成,有一个参数称为 Q 值,它是相干时间与操作时间的比值,即可以有效操作的次数。如果某个问题所需要的操作步骤不高于Q 值,就可以拿这台机器完成这个任务,如果不够,就必须提高 Q 值。如果它处理某一些问题的能力能够超过电子计算机最高速度能力,即它的运算处理问题的速度超过了现在所有运算,这叫量子霸权。量子霸权的实现,仍然是专用机,因为它不可以解决所有问题,它只能解决在相干时间里能完成的那类问题,但是量子霸权做出来以后,还是很有用途的。 三、量子计算机的未来发展 未来,量子计算机的发展可以分为量子计算器、专用量子计算器和通用机三个阶段。第一阶段叫量子计算器。这种计算机的比特数不要求太多,功能也不用太强,应用不必太全面,但是需要五脏俱全,而且确实是按照量子力学运行规律的数据处理器。第二阶段是量子霸权,大概 100 个比特数,暂时不考虑它的纠错容错,只要能解决某一类问题,这类问题可以在相干时间内完成,所以也叫专用量子计算器。因为我们要来解决很多实际的问题,比如说具体的一个项目,需要加快运算速度,这个任务可以用量子霸权来做。最后一个阶段就是能够纠错容错而比特数又足够多,能把所有问题都解决了,这叫通用机。这个不会很快实现。一旦到霸权阶段,我认为可以把它当成一个器件。现在的量子计算器不卖,但都知道它有多大用处,可以放到网上,让全世界都可以上网运用它的计算器。 目前量子计算机研究还需要解决两方面难题。一是量子计算机是人造量子系统,在宏观环境下量子相干性会自动消失,从而丧失其量子信息功能。二是人类采用经典工具去操控量子器件的状态和演化,这种操控能力目前还很差,有待提高。    

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