1.5　量子計算機是什么計算機

1.5.1　什么是量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。

1. 量子計算機的提出

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。研究發現，能耗來源于計算過程中的不可逆操作。那么，是否計算過程必須用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是所有經典計算機都可以找到一種對應的可逆計算機，而且不影響運算能力。

由此，科學家想到既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學中，它就可以用一個幺正變換表示，從而運用到量子計算機中。幺正矩陣是基本的物理概念，是指如果一個n階方陣，它的列向量構成一組標準正交基，那么這個矩陣就是幺正矩陣。由幺正矩陣所表示的變換稱為幺正變換。

當今的計算機廠商提供的強大計算處理能力仍不能滿足人們對運算速度和運算能力的渴求。1947年，美國計算機工程師霍華德·艾肯（Howard Aiken）曾說，只要6臺電子數字計算機就可以滿足全美國的計算需要。

現在，是不是還有什么大腕說有多少臺量子計算機就可以滿足全世界的需要了呢？據調查，還沒有人說出這樣的話。

2. 集成電路的發展極限

人們現在使用的大規模集成電路是有極限的。早在20世紀，1990年已經制成了64M位的動態隨機存儲器，集成電路的線寬已細到0.3μm。1993年制成了256M位的動態隨機存儲器。當存儲器達到1024M位時，集成電路的線寬將細到0.1μm，也就是千萬分之一米，差不多是一根頭發絲的千分之一。這樣細的電路，被認為是集成電路的發展極限，電路比這更細時，現有電子元件將失去工作的理論基礎。

實際上，早在1981年，美國物理學家理查德·費曼（見圖1-11）已提出，人們能夠研制出“遵循量子力學法則的微型計算機”。他認為，這樣的量子計算機可能是模擬現實世界量子系統的最好方式。

費曼是美國著名的物理學家，1965年度諾貝爾物理學獎得主。他提出了費曼圖、費曼規則和重正化計算方法，是研究量子電動力學和粒子物理學不可缺少的工具。

自那時起，各國科學家一直在研制量子計算機，但結果始終不盡如人意。早期的量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經典計算機，并沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相干性。

1.5.2　量子計算機的前世今生

1. 量子計算機的前世

1920年，薛定諤、愛因斯坦、海森伯和狄拉克，共同創建了一個前所未有的新學科——量子力學。量子力學的誕生為人類未來的第四次工業革命打下了基礎。在此基礎上人們發現了一項新技術，就是量子計算機。

量子計算機的技術概念最早由費曼提出，之后經過很多年的研究這一技術已初步見成效。在20世紀80年代多處于理論推導等紙上談兵狀態。一直到1994年秀爾提出量子質因子分解算法后，因其對于現在通行于銀行及網絡等處的RSA加密算法可以破解而構成威脅之后，量子計算機變成了熱門的話題。除了理論之外，也有不少學者著力于利用各種量子系統實現量子計算機。

2. 現代量子計算機的今生

1994年，兩位物理學家尼爾和艾薩克研制出一臺最基本的量子計算機，能夠進行簡單的運算。使用丙氨酸，它可以完成1+1的運算；使用液態三氯甲烷，還能解決其他問題。物理學家們現在正努力研究出一種比較復雜的計算機，能夠將15分解成3乘5。

2000年，日本日立公司開發成功一種量子元件——單個電子晶體管，可以控制單個電子的運動，具有體積小、功耗低的特點，約是目前功耗最小的晶體管的千分之一。日本富士通公司正在開發量子元件超高密度存儲器，在1cm²芯片上，可存儲10萬億比特的信息，相當于可存儲6000億個漢字。美國物理學家約翰遜開發成功的電子自旋晶體管，有可能將集成電路的線寬降至0.01μm。在一個小小的芯片上可容納數萬億個晶體管，使集成電路的集成度大大提高。

2000年3月，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家們宣布研制了一臺包含7量子比特，存在于一滴液體中的量子計算機，如圖1-12所示。該量子計算機使用核磁共振操縱反式丁烯酸分子原子核中的粒子。反式丁烯酸是一種簡單的液體，其分子由6個氫原子和4個碳原子組成。核磁共振可用來產生促使粒子排列起來的電磁脈沖。處于與磁場方向相同或相反位置的粒子，使得該量子計算機可以模仿數字計算機按比特對信息進行編碼。

2000年8月，IBM Research-Almaden研究中心宣布制成了一臺據稱是當時最先進的量子計算機。這臺量子計算機的5量子比特由5個相互作用的氟原子核構成，使用無線電頻率脈沖編程，并使用類似于醫院中的核磁共振（NMR）設備（有關詳細信息可參見核磁共振成像原理）進行探測。這支由艾薩克·莊（Isaac Chuang）博士領導的IBM小組成功地僅用一步解決了一個用傳統機器需要循環才能解決的數學問題。這個稱為尋秩的問題涉及查找一個特定函數的周期，是密碼學中經常遇到的眾多數學問題之一。

近年來由于社會對高速、保密、大容量的通信及計算的需求，促進了量子信息、量子計算理論與實驗的迅速發展。目前，美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室和麻省理工學院、IBM公司和斯坦福大學、中國科學院武漢物理研究所、清華大學的四個研究組已實現7量子比特量子算法演示。

2007年2月26日，加拿大一家公司宣布已經制造出了世界上首個商業量子計算機。

2007年年初，中國科技大學潘建偉小組在Nature·Physical上發表論文，成功制備了國際上糾纏光子數最多的“薛定諤貓”態和單向量子計算機，刷新了光子糾纏和量子計算領域的兩項世界紀錄，成果被歐洲物理學會和Nature雜志等廣泛報道。

特別引人注目的是，英國New Scientist雜志在“中國崛起”的專欄中，把中國科技大學在量子計算領域取得的一系列成就作為中國科技崛起的重要代表性成果，進行了專門介紹。

1.5.3　量子計算機進入世界級競賽

進入21世紀以來，量子計算機進入世界級競賽。

相比傳統計算機，量子計算機的最大區別在于：傳統計算機只能按照時間順序一個個地解決問題，而量子計算機卻可以同時解決多個問題。

傳統計算機使用的運算規則是二進制，用0和1記錄信息狀態。但量子計算機由量子狀態描述信息，根據量子的特性，它可以同時表示多種狀態，并同時進行疊加運算，因而擁有更快速的運算方式。

由于量子計算機的處理能力比當前傳統超級計算機高幾個數量級。因此，許多人認為，量子計算機將完成以前被認為是不可能完成的任務，例如模擬化學催化劑、建立超級復雜系統的模型、破解加密密碼等。但迄今為止，這些公司開發的量子計算機處理能力不夠強大或不夠精確，在運行大多數任務時不足以超過傳統計算機。

量子計算機成熟商用時點逐步臨近，超強運算能力對傳統加密手段形成巨大沖擊，量子通信絕對安全的理論特性愈加重要，量子通信的應用和推廣有望進一步提速。傳統計算機15萬年才能完成的300位大數分解，量子計算機利用Shor算法只需1s，經典非對稱密碼體系全部能夠被量子Shor算法破解。

目前，IBM、Intel公司均已推出17量子比特量子計算機，50量子比特產品商用也有望近期落地。量子計算機面世后，信息安全將無法保證，量子通信絕對安全的理論特點在量子計算時代格外重要，量子通信的應用和推廣有望進一步提速。

1. IBM公司發布了17量子比特的處理器

2017年5月，IBM公司發布了17量子比特的處理器，如圖1-13所示。其強大的計算能力，使得它可以應用于那些需要強大計算性能的場景，傳統計算機是沒法勝任這類工作的。量子計算機利用量子現象同時表示多個數據，這使得以往只能進行一次運算的時間內可以實現并行的復雜運算。

2. Intel公司交付49量子比特測試芯片：算力等于5000顆8代i7

Intel公司也在研究量子處理器，并在2017年10月攜手荷蘭研發合作伙伴QuTech量子實驗室成功利用先進材料技術和制造技術開發出了一款包含17量子比特的新超導芯片，并將芯片交QuTech進行測試，挑戰IBM公司此前推出的規模最大的量子計算芯片。

目前，各大科技公司的研究員都在開發包含50量子比特的芯片。這樣的芯片計算能力將超過當前所有超級計算機。

根據Intel公司介紹，量子計算的構建模塊（也就是量子比特）相當脆弱，只能在極低溫度下運行，而且封裝時要求很高，必須預防數據丟失。Intel公司找到一種新方法，它們制造出17量子比特芯片，芯片的架構在更高溫度下更可靠，量子比特之間的射頻干擾更小。

2017年，Intel公司已經成功設計、制造和交付49量子比特的超導測試芯片，這距離Intel公司交付17量子比特芯片僅僅過去了3個月的時間。

49量子比特的芯片代號是Tangle Lake，被Intel公司認為是里程碑。因為在這樣的尺度上，已經允許研究人員評估改善誤差修正技術和模擬計算問題。談到量子計算的商用，還需要5~7年時間。

7、17、49量子比特芯片如圖1-14所示。

除了超導量子比特，Intel公司也基于300mm制程工藝打造了1量子比特的自旋芯片。自旋量子比特的規模和單位面積比超導量子比特更可觀，而且，它就像一個單電子晶體管。

3. Google公司宣布開源量子計算軟件OpenFermion

另一巨頭Google公司也不甘示弱，它在自己的官方博客上宣布公開開源量子計算軟件OpenFermion，讓科學家們更方便地使用量子計算機。這次開放的是OpenFermion的源代碼，可供用戶免費使用，化學家和材料學家可以利用OpenFermion改編算法和方程，使之能在量子計算機上運行。

Google公司開源的做法也是量子計算機領域目前的趨勢。IBM、Intel、Microsoft和D-Wave等公司都曾宣布開放自己的量子計算平臺，使之能促進量子計算的商業化運行。

4. 加拿大量子計算公司D-Wave發布全球第一款商用量子計算機

2017年D-Wave公司宣布，推出旗下最新型號的量子計算機D-Wave 2000Q，如圖1-15所示。D-Wave 2000Q的計算能力是以前型號的兩倍，Temporal防御系統公司是這臺新計算機的首個客戶，其主要目的是把D-Wave 2000Q用于網絡安全研究。

在這之前，Google公司購買了一臺D-Wave量子計算機用來研究人工智能，美國國家宇航局NASA和軍火商洛克希德·馬丁公司也采購了同樣的機型用于研究。

5. 美國IBM公司成功構建50量子比特原型機

IBM公司從2017年開始以云計算服務的形式提供量子計算能力。IBM公司宣布，已經成功開發了包含50量子比特的原型產品，量子計算機中的芯片所處環境溫度被降至15K，如圖1-16所示。這是量子計算領域的下一個里程碑。IBM公司最初版本的量子計算機是免費提供的，目的是培育用戶社區，指導用戶如何使用這些機器編程。

量子計算機和量子信息技術在科技界的領先地位是不可動搖的。未來處理能力超強的量子計算機能夠在數秒內完成目前速度最快的超級計算機數年才能完成的計算任務。可能未來的某天，你會發現現代的數字計算機已經因為過時而被丟進了歷史的垃圾堆。量子計算雖然起源于理論物理這個高度特殊的領域，但是它的未來無疑有著深遠的意義，它必將對全人類的生活產生深刻的影響。

6. Google公司發布全球首個72量子比特通用量子計算機

2018年3月，Google公司宣布推出一款72量子比特的量子處理器Bristlecone，實現了1%的低錯誤率，與9量子比特的量子計算機持平。

Google公司認為，使用Bristlecone可以實現量子霸權。同時IBM公司也曝光了其50量子比特量子原型機內部構造。Google公司在量子比特位數和錯誤率上的亮眼表現，霎時將2018年的量子霸權競賽的賽點提前。這個最新設備遵循Google公司之前提出的9量子比特量子計算機的線性陣列技術所對應的物理學原理，而該技術顯示的最佳結果如下：低的讀數錯誤率（1%）、單量子比特門（0.1%）以及最重要的雙量子比特門（0.6%）。該設備使用與9個量子比特的相同的模式進行耦合、控制和讀出，但將其擴展為一個包含72量子比特的正方形數組。

圖1-17（a）是Google公司最新的72量子比特量子處理器Bristlecone。

圖1-17（b）是該設備的圖示：每個“×”代表一個量子比特，量子比特之間以線性陣列方式相連。

一直以來，大家都認為50量子比特的量子計算機是實現量子霸權的“起步價”。就在Google公司拋出49量子比特的量子計算機實現量子霸權的說法后不久，IBM公司就稱，它們的研究表明，對于某些特定的量子應用，可能需要56個乃至更多個量子比特才能實現量子霸權。這可能是為什么Google公司從2017年的49量子比特一下子跳躍到72量子比特的一個原因，超出這么多，應該能打消各種疑慮。但是，要實現量子霸權，就不得不說剛才提到的量子模擬。目前最強大的超級計算機，只能模擬46量子比特。

7. 搶占2018年量子霸權競賽賽點，小型商用量子計算機5年內出現

當我們可以實現幾十乃至幾百萬量子比特0.1%~1%的錯誤率時，量子計算機將開始真正高效解決實際問題。這可能需要十年或者更久的時間。但是，至少Google公司認為，在制造出大規模量子比特量子計算機之前，我們可能會先實現一些小型的甚至是商用的量子計算機，或者說量子計算商業應用。2017年，Google公司量子團隊在Nature刊文稱，他們堅信即使還缺乏能夠完整糾錯的理論，但5年之內仍會有與量子計算有關的小型設備問世，而這也將給投資者帶來短期的回報。早期的量子計算設備將在量子模擬、量子輔助優化和量子采樣領域有商業運用。更快的計算速度對從人工智能到金融和醫療等領域具有明顯的商業優勢。