量子計(jì)算發(fā)展

量子計(jì)算概念提出

量子計(jì)算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能階的量子系統(tǒng)可以用來仿真數(shù)字計(jì)算；稍后費(fèi)曼也對(duì)這個(gè)問題產(chǎn)生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學(xué)院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場(chǎng)演講，勾勒出以量子現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)計(jì)算的愿景。1985年，牛津大學(xué)的D. Deutsch提出量子圖靈機(jī)（quantum Turing machine）的概念，量子計(jì)算才開始具備了數(shù)學(xué)的基本型式。然而上述的量子計(jì)算研究多半局限于探討計(jì)算的物理本質(zhì)，還停留在相當(dāng)抽象的層次，尚未進(jìn)一步跨入發(fā)展算法的階段。

量子計(jì)算中期發(fā)展

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P. Shor指出 [3]，相對(duì)于傳統(tǒng)電子計(jì)算器，利用量子計(jì)算可以在更短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個(gè)結(jié)論開啟量子計(jì)算的一個(gè)新階段：有別于傳統(tǒng)計(jì)算法則的量子算法（quantum algorithm）確實(shí)有其實(shí)用性，絕非科學(xué)家口袋中的戲法。自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來，而物理學(xué)家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計(jì)算器，來執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名做為量子計(jì)算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子電動(dòng)力學(xué)(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和操控精度等因素，離子阱與超導(dǎo)系統(tǒng)走在了其它物理系統(tǒng)的前面。

2019年8月，中國(guó)量子計(jì)算研究獲重要進(jìn)展：科學(xué)家領(lǐng)銜實(shí)現(xiàn)高性能單光子源。中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉與陸朝陽、霍永恒等人領(lǐng)銜，和多位國(guó)內(nèi)及德國(guó)、丹麥學(xué)者合作，在國(guó)際上首次提出一種新型理論方案，在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實(shí)現(xiàn)了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學(xué)量子計(jì)算機(jī)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》日前發(fā)表了該成果，評(píng)價(jià)其“解決了一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)”。

2021年10月，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計(jì)算方面取得重要進(jìn)展，使中國(guó)成為目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國(guó)家。

量子計(jì)算發(fā)展前景

量子計(jì)算將有可能使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大大超過今天的計(jì)算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計(jì)算所存在重要的問題是，如何長(zhǎng)時(shí)間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時(shí)又能夠在這個(gè)時(shí)間段之內(nèi)做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。

世界上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)

加拿大量子計(jì)算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)“D-Wave One”，量子電腦的夢(mèng)想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號(hào)就是——“Yes,you can have one.”。其實(shí)早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺(tái)商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)“Orion”（獵戶座），不過嚴(yán)格來說當(dāng)時(shí)那套系統(tǒng)還算不上真正意義的量子計(jì)算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決問題的特殊用途機(jī)器。

通用任務(wù)方面還遠(yuǎn)不是傳統(tǒng)硅處理器的對(duì)手，而且編程方面也需要重新學(xué)習(xí)。另外，為盡可能降低qubit的能級(jí)，需要利用低溫超導(dǎo)狀態(tài)下的鈮產(chǎn)生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對(duì)零度附近（20 mK）。

量子計(jì)算將有可能使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大大超過今天的計(jì)算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計(jì)算所存在的一個(gè)問題是，提高所需量子裝置的準(zhǔn)確性有困難。

2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q，他們聲稱該系統(tǒng)由2000個(gè)qubit構(gòu)成，可以用于求解最優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)器學(xué)習(xí)、和采樣等問題。對(duì)于一些基準(zhǔn)問題測(cè)試，如最優(yōu)化問題和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的采樣問題，D-Wave 2000Q勝過當(dāng)前高度專業(yè)化的算法1000到10000倍。

D-Wave One量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與D-Wave公司創(chuàng)始人兼CTO Geordie Rose

中科大首次研制出非局域量子模擬器

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授研究組首次研制出非局域量子模擬器，并且模擬了宇稱—時(shí)間（Parity-time, PT）世界中的超光速現(xiàn)象。

這一實(shí)驗(yàn)充分展示了非局域量子模擬器在研究量子物理問題中的重要作用。

量子模擬器是解決特定問題的專用量子計(jì)算機(jī)，這一概念最早由費(fèi)曼于1981年提出。費(fèi)曼認(rèn)為自然界本質(zhì)上是遵循量子力學(xué)的，只有用遵循量子力學(xué)的裝置，才能更好地模擬它，這個(gè)力學(xué)裝置就是量子模擬器。量子模擬器研究中，人們更多關(guān)注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個(gè)量子模擬器所操控的量子比特?cái)?shù)越多，它的運(yùn)算能力就越強(qiáng)。

華為首次曝光量子計(jì)算成果

2018年10月12日，華為公布了在量子計(jì)算領(lǐng)域的最新進(jìn)展：量子計(jì)算模擬器HiQ云服務(wù)平臺(tái)問世，平臺(tái)包括HiQ量子計(jì)算模擬器與基于模擬器開發(fā)的HiQ量子編程框架兩個(gè)部分，這是這家公司在量子計(jì)算基礎(chǔ)研究層面邁出的第一步。

百度推出百度量子平臺(tái)

2020年9月15日，“百度世界2020”大會(huì)在線上召開，百度研究院量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)段潤(rùn)堯發(fā)布了百度量子平臺(tái)，展示了百度用量脈 量槳 量易伏賦能新基建、追逐“人人皆可量子”的愿景。他介紹，“百度全新發(fā)布國(guó)內(nèi)首個(gè)云原生量子計(jì)算平臺(tái)量易伏，并全面升級(jí)量子脈沖云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)量脈和量子機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)工具集量槳，通過構(gòu)建以百度量子平臺(tái)為核心的量子生態(tài)，開啟量子時(shí)代的大門?！?百度量子平臺(tái)提供了連接頂層解決方案和底層硬件基礎(chǔ)所需的大量軟件工具以及接口，百度希望這一平臺(tái)扮演量子計(jì)算時(shí)代操作系統(tǒng)的角色，開發(fā)者和合作伙伴可以通過這一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算對(duì)行業(yè)的賦能。 2100433B

2016年歐盟宣布啟動(dòng)11億美元的“量子旗艦”計(jì)劃；德國(guó)于2019年8月宣布了6.5億歐元的國(guó)家量子計(jì)劃；中美兩國(guó)也在量子科學(xué)和技術(shù)上投入數(shù)十億美元。這場(chǎng)競(jìng)賽旨在建造出在某些任務(wù)上的表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。2019年10月，谷歌宣布一款執(zhí)行特定計(jì)算任務(wù)的量子處理器已實(shí)現(xiàn)這種量子霸權(quán)。

2019年12月6日，俄羅斯副總理馬克西姆·阿基莫夫于索契舉行的技術(shù)論壇上提出國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃，擬5年內(nèi)投資約7.9億美元，打造一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，并希望在實(shí)用量子技術(shù)領(lǐng)域趕上其他國(guó)家。

量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，對(duì)于n個(gè)量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加，配合量子力學(xué)演化的并行性，可以展現(xiàn)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的處理速度。

量子計(jì)算量子位

量子位（qubit）是量子計(jì)算的理論基石。在常規(guī)計(jì)算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的 1 個(gè)位來表示，它不是處于“ 0” 態(tài)就是處于“ 1” 態(tài). 在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中，信息單元稱為量子位，它除了處于“ 0” 態(tài)或“ 1” 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)（superposed state）。

疊加態(tài)是“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“ 0” 態(tài)又可以是“ 1” 態(tài)，“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在. 通過測(cè)量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現(xiàn)出“ 0” 態(tài)或 “ 1” 態(tài).任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可用來實(shí)現(xiàn)量子位，例如氫原子中的電子的基態(tài)（ground state）和第 1 激發(fā)態(tài)（first excited state)、 質(zhì)子自旋在任意方向的 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。

一個(gè)量子系統(tǒng)包含若干粒子，這些粒子按照量子力學(xué)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，稱此系統(tǒng)處于態(tài)空間的某種量子態(tài)。這里所說的態(tài)空間是指由多個(gè)本征態(tài)（eigenstate) （即基本的量子態(tài)）所張成的矢量空間，基本量子態(tài)簡(jiǎn)稱基本態(tài)（basic state）或基矢（basic vector) . 態(tài)空間可用Hilbert 空間（線性復(fù)向量空間）來表述，即Hilbert 空間可以表述量子系統(tǒng)的各種可能的量子態(tài).為了便于表示和運(yùn)算，Dirac提出用符號(hào)|x〉 來表示量子態(tài)，|x〉 是一個(gè)列向量，稱為ket ；它的共軛轉(zhuǎn)置（conjugate t ranspose) 用〈x|表示，〈x|是一個(gè)行向量，稱為bra.一個(gè)量子位的疊加態(tài)可用二維Hilbert 空間（即二維復(fù)向量空間）的單位向量來描述。

量子計(jì)算疊加原理

把量子考慮成磁場(chǎng)中的電子。電子的旋轉(zhuǎn)可能與磁場(chǎng)一致，稱為上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者與磁場(chǎng)相反，稱為下旋狀態(tài)。如果我們能在消除外界影響的前提下，用一份能量脈沖能將下自旋態(tài)翻轉(zhuǎn)為上自旋態(tài)；那么，我們用一半的能量脈沖，將會(huì)把下自旋狀態(tài)制備到一種下自旋與上自旋疊加的狀態(tài)上（處在每種狀態(tài)上的幾率為二分之一）。對(duì)于n個(gè)量子比特而言，它可以承載2的n次方個(gè)狀態(tài)的疊加狀態(tài)。而量子計(jì)算機(jī)的操作過程被稱為幺正演化，幺正演化將保證每種可能的狀態(tài)都以并行的方式演化。這意味著量子計(jì)算機(jī)如果有500個(gè)量子比特，則量子計(jì)算的每一步會(huì)對(duì)2⁵⁰⁰種可能性同時(shí)做出了操作。2⁵⁰⁰是一個(gè)可怕的數(shù)，它比地球上已知的原子數(shù)還要多（這是真正的并行處理，當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，所謂的并行處理器仍然是一次只做一件事情）。

2000年，Knill，Laflamme和Milburn（KLM協(xié)議）證明，可以用光束分離器，移相器，光電探測(cè)器和單光子源來創(chuàng)建通用量子計(jì)算機(jī)。 在該協(xié)議中形成量子位的狀態(tài)是兩種模式的一個(gè)光子狀態(tài)，即兩種模式的占空比表示（Fock狀態(tài)）中的狀態(tài)|01>和|10>。 使用這些資源，可以實(shí)現(xiàn)任何單個(gè)量子位門和2-量子位概率門。 光束分離器是該方案中的重要組成部分，因?yàn)樗俏ㄒ划a(chǎn)生Fock狀態(tài)之間的分束器。2100433B

五配位硅化合物增大的反應(yīng)性并沒有得到完整的解釋?？评镉诤退耐绿岢鑫迮湮还柙痈叩碾娬钥赡軐?dǎo)致了它的反應(yīng)性增大。初步從頭計(jì)算在某些程度上支持這個(gè)假設(shè)，但也使用了一個(gè)小的假設(shè)作為基礎(chǔ) 。

迪特爾斯和他的同事使用從頭計(jì)算的軟件程序Gaussian 86來比較四配位的硅或磷化合物與它們的五配位類似物。這種量子化學(xué)從頭計(jì)算（英語：Ab initio quantum chemistry methods）方法被用于補(bǔ)充說明五配位化合物的親核反應(yīng)活潑性增加的原因。對(duì)硅來說，使用6-31 G*基組，因?yàn)槲迮湮还杌衔锸顷庪x子；對(duì)于磷，則使用6-31G*基組。

理論上五配位化合物比類似的四配位化合物親電性更弱，因?yàn)榕潴w的空間位阻大和電子云密度高，然而實(shí)驗(yàn)表明它們的親核反應(yīng)活性比四配位的類似物更強(qiáng)?？茖W(xué)家進(jìn)行了進(jìn)一步從頭計(jì)算來更深地理解這類四配位和五配位分子的反應(yīng)現(xiàn)象。不同系列的物質(zhì)按氟化程度分類。鍵長(zhǎng)和電子密度的函數(shù)可以表示出中心原子連有氫負(fù)離子配體的數(shù)目。計(jì)算時(shí)，每增加一個(gè)氫原子就減少一個(gè)氟原子 。

科學(xué)家已經(jīng)通過這種從頭計(jì)算對(duì)于四配位和五配位的硅化合物和磷化合物的鍵長(zhǎng)、電荷密度、馬利肯鍵重疊進(jìn)行了計(jì)算 。四配位硅化合物與氟離子的加合總共增加了0.1個(gè)元電荷，這被認(rèn)為是微不足道的?？偟膩碚f，三角雙錐形五配位化合物中的鍵長(zhǎng)比類似的四配位化合物更長(zhǎng)。Si-F鍵和Si-H鍵的鍵長(zhǎng)均有所增加，五配位磷化合物的類似現(xiàn)象則較微弱。硅化合物比磷化合物有更顯著的鍵長(zhǎng)增加，這是因?yàn)榕潴w有效增加了磷的有效核電荷。