中國成功研發量子芯片，距離量子計算機還有多遠

出品：科普中國

製作：鐵流

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

日前，中國量子計算機取得突破性進展，中國科技大學量子實驗室成功研發了半導體量子芯片和量子存儲，量子芯片相當於未來量子計算機的大腦，研製成功後可實現量子計算機的邏輯運算和信息處理，量子儲存則有助於實現超遠距離量子態量子信息傳輸。那麼量子計算機相對於傳統計算機有什麼優勢？本次成功研究的量子芯片距離真正實用的量子計算機還有多遠呢？

圖1 量子芯片研發成功

量子計算有何優勢

目前，傳統計算機發展中已經逐漸遭遇功耗牆、通信牆等一系列問題，傳統計算機的性能增長越來越困難。因此，探索全新物理原理的高性能計算技術的需求就應運而生。

量子計算是一種基於量子效應的新型計算方式。基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務。

所謂量子位就是一個具有兩個量子態的物理系統，如光子的兩個偏振態、電子的兩個自旋態、離子（原子）的兩個能級等都可構成量子位的兩個狀態——晶體管只有開/關狀態，也就是要麼是0狀態，要麼是1狀態；而基於量子疊加性原理，一個量子位可以同時處於0狀態和1狀態。由於量子糾纏的原因——處於糾纏態的兩個粒子有一個奇妙特性，一旦對其中一個粒子進行測量確定了它的狀態，那麼就立即知道另一個粒子所處的狀態,因此，當量子系統的狀態變化時，疊加的各個狀態都可以發生變化。

舉例來説，因為1個量子位同時表示0和1兩個狀態，7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態。N個量子位可同時存儲2的N次方個數據，數據量隨N呈指數增長。同時，量子計算機操作一次等效於電子計算機要進行2的N次方次操作的效果……等於是一次演化相當於完成了2的N次方個數據的並行處理，這就是量子計算機相對於經典計算機的優勢。

量子計算機具有極大超越經典計算機的超並行計算能力。例如，求一個300位數的質因數，目前最好的經典計算機可能需要上千年的時間來完成，而量子計算機原則上可以在很短的時間內完成。因此，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納製造等領域具有突出優勢，是新概念高性能計算領域公認的發展趨勢。

 (半導體量子芯片由郭光燦院士團隊研發)

距離量子計算機還有多遠

要構建量子計算式有兩個要求，一個是量子邏輯門精度足夠高，另一個是邏輯比特數量足夠多。

量子比特可以分為物理比特和邏輯比特。物理比特並不穩定，可能現在有10個物理比特，但很快就喪失了。因此，不得不通過糾錯碼過程對10個物理比特做冗餘，最後生成了一個邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯特性。

量子計算要產生相對於傳統計算足夠多的優勢，有效的邏輯比特的數目必須要大於30的情況下才行，要做出真正的量子計算機則需要幾百上千物理比特。而量子技術需要利用量子相干性才可以做計算，但每個量子比特都非常脆弱，很容易被環境退相干，使量子的相干性喪失，而且退相干的速度隨着體系的擴大而呈指數增加，量子比特越多，退相干速度越快。

為應對量子比特退相干的情況，就必須採用糾錯碼技術，鑑定噪聲的可能狀態，在假定了噪聲特性的基礎上，構建糾錯碼系統，構建糾錯容錯的理論體系。

其實，傳統計算機也會發生計算錯誤，但可以通過糾錯碼計算。而量子計算機也是這樣，如果能夠達到容錯預值（容錯預值不僅僅是對操作精度，對噪聲的總體水平有一個約束的關係）——外界噪聲低到一定水平，操作達到一定精度之時，就可以滿足容錯計算。在精度上，由英國工程和物理科學研究理事會（EPSRC）資助的網絡量子信息技術中心（NQIT）的科學家已經將量子邏輯門（quantum logic gate）的精度提升至99%；而國內由杜江峯院士帶隊的研究組在傳統的糾錯碼下達到了更高的操作精度，量子邏輯門精度達到了99.99%，其單比特門精度已經滿足容錯計算的需求；本次中國科技大學量子實驗室研發的半導體量子芯片精度達到90%，雖然精度相對於之前的兩個數據略顯偏低，但用量子糾錯碼就可以解決，做到高於量子糾錯碼的閾值即可，因此，該量子芯片的精度也達到了滿足容錯計算的精度。

之前説過，在精度滿足容錯計算的需求的情況下，有效的邏輯比特的數目超過30個就能在計算性能上取得對傳統計算機的相對優勢，那麼有中國科技大學研發出的量子芯片的邏輯比特數達到多少呢？據筆者瞭解，該量子芯片由砷化鎵材料製造，用量子點（用半導體工藝做出一個模擬原子能級的結構）實現量子比特，邏輯比特數量為3個，也就是説，只要進行系統擴展，把更多的邏輯比特能達到滿足容錯計算的精度，將邏輯比特數量擴大10倍，即可製造出在性能上超越傳統計算機的量子計算機。

另外，半導體方案還有一個獨特優勢——在理論上沒有制約提升消相干時間的瓶頸。目前，制約量子計算的瓶頸之一系統擴展難度非常大；還有就是量子態的消相干時間，一般情況下只能做到幾納秒，另外還有兩個相距較遠的量子態的相互作用也比較難。而半導體方案理論上沒有制約提升消相干時間的技術瓶頸，科研人員可以沿着這條技術路線不斷攀登前進。

總而言之，雖然在技術上，中科大量子實驗室成功研製量子芯片是一大技術突破，但由於系統擴展難度非常大，以及消相干時間方面的瓶頸等因素，建成量子計算機依舊任重道遠。