2019年量子計算發(fā)展白皮書（上）

馮曉輝 李雅琪 周斌 王翠林

當(dāng)前，人類對量子信息技術(shù)的研究與應(yīng)用主要包括量子計算、量子通信和量子測量等。其中，量子計算是一種基于量子力學(xué)的、顛覆式的計算模式，具有遠(yuǎn)超經(jīng)典計算的強(qiáng)大計算能力，將在化學(xué)反應(yīng)計算、材料設(shè)計、藥物合成、密碼破譯、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)、軍事氣象等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。

量子計算發(fā)展綜述量子計算的內(nèi)涵

量子信息科學(xué)的基本概述。量子信息科學(xué)是量子物理與信息科學(xué)交叉的新生學(xué)科，其物理基礎(chǔ)是量子力學(xué)。量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是不可分割的微觀粒子的統(tǒng)稱。量子力學(xué)就是研究和描述微觀世界基本粒子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及相互作用的一門科學(xué)。量子信息技術(shù)就是基于量子力學(xué)，通過對光子、電子等微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)進(jìn)行人工觀測和調(diào)控，借助量子疊加和量子糾纏等獨特物理現(xiàn)象，以經(jīng)典理論無法實現(xiàn)的方式獲取、傳輸和處理信息的一類技術(shù)。

在量子信息技術(shù)中，包含量子比特、量子疊加和量子糾纏等幾個基本概念：一是量子比特。比特是計算機(jī)技術(shù)中信息量的基本度量單位，量子比特則是量子計算中的最小信息單位。一個量子比特可以表示0、1或0和1的疊加，因此其搭載的信息量遠(yuǎn)超只能表示0或1的經(jīng)典比特。二是量子疊加。指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。在量子系統(tǒng)中，量子態(tài)是指微觀粒子所處的一系列不連續(xù)的恒穩(wěn)運動狀態(tài)。在無外界觀測干擾時，量子系統(tǒng)可處于一系列量子態(tài)疊加態(tài)上，也即是著名的“薛定愕的貓”。三是量子糾纏。指微觀粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象。在量子系統(tǒng)中，存在量子關(guān)聯(lián)的多個粒子即使在空間上被分隔開，也能夠相互影響運動狀態(tài)，這是量子通信等的技術(shù)基礎(chǔ)。

當(dāng)前，量子信息技術(shù)主要包括量子計算、量子通信和量子測量等三個技術(shù)領(lǐng)域。量子計算是基于量子態(tài)受控演化的一類計算技術(shù)。量子計算具有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力，有望成為未來幾乎所有科技領(lǐng)域加速發(fā)展的“新引擎”。量子通信利用微觀粒子的量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)等進(jìn)行信息或密鑰傳輸，主要包括量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類。量子通信可大幅提升通信的安全性，將對信息安全和通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大變革和影響。量子測量可基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出。量子測量主要包括時間基準(zhǔn)、慣性測量、重力測量、磁場測量和目標(biāo)識別等方向，其在測量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測量技術(shù)有明顯優(yōu)勢。

量子計算的基本原理與特征

量子計算以量子比特為基本單元，通過量子態(tài)的受控演化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲計算。量子計算機(jī)就是遵循量子力學(xué)規(guī)律，基于上述原理進(jìn)行信息處理的一類物理裝置。當(dāng)前，量子計算機(jī)可大致分為三類：量子退火、嘈雜中型量子（NISQ）計算、容錯型通用量子計算。

一般而言，量子計算機(jī)的計算過程可以分為數(shù)據(jù)輸入、初態(tài)制備、量子邏輯門操作、量子測算和數(shù)據(jù)輸出等步驟。其中，量子邏輯門操作是一個幺正變換，這是一個可以人為控制的量子物理演化過程。對量子計算機(jī)的可用性而言，需要從量子比特數(shù)、長相干時間保護(hù)、高保真度量子操作等多個維度進(jìn)行綜合衡量。

與經(jīng)典計算相比，量子計算具有以下特點：

一是并行計算能力更強(qiáng)。一般地，描述n個量子比特的量子計算機(jī)需要2n個系數(shù)數(shù)字，當(dāng)n增大時所有狀態(tài)所需數(shù)字很大。但由于量子疊加效應(yīng)，量子計算過程中的么正變換可以對處于疊加態(tài)的所有分量同時進(jìn)行操作（也即量子并行性）。因此，量子計算機(jī)可以同時進(jìn)行多路并行運算，這也是量子計算機(jī)超強(qiáng)信息處理能力的源泉。

二是能耗更低。當(dāng)前，經(jīng)典計算中運算速度遇到的一大瓶頸就是能耗問題對芯片集成度的制約。有研究表明，能耗產(chǎn)生于計算過程中的不可逆操作。直觀而言，傳統(tǒng)芯片的特征尺寸很小（數(shù)納米）時，量子隧穿效應(yīng)開始顯著，電子受到的束縛減小，使得芯片功能降低、能耗提高，這即是傳統(tǒng)摩爾定律面臨失效的原因。因此，必須將不可逆操作改造為可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。相較之下，量子計算中的幺正變換屬于可逆操作，因而信息處理過程中的能耗較低，這有利于大幅提升芯片的集成度，進(jìn)而提升量子計算機(jī)算力。

量子計算的發(fā)展背景與歷程

傳統(tǒng)計算技術(shù)供給不足成為量子計算重要驅(qū)動因素。當(dāng)前，傳統(tǒng)計算技術(shù)迭代提升面臨瓶頸，而各領(lǐng)域算力需求則快速攀升。一方面，集成電路技術(shù)在材料和制程工藝方面越來越逼近物理極限，摩爾定律日漸趨緩，傳統(tǒng)計算技術(shù)的發(fā)展面臨體系性困局。馮·諾依曼架構(gòu)數(shù)據(jù)讀寫瓶頸日益凸顯，程序執(zhí)行時處理器在程序計數(shù)器的指引下順序讀取指令和數(shù)據(jù)，帶來高延遲、低帶寬等問題。此外隨著數(shù)據(jù)量的日益增加，傳統(tǒng)云計算面臨網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力、服務(wù)響應(yīng)緩慢、安全與隱私隱患、資源利用率低等諸多挑戰(zhàn)。另一方面，隨著信息化社會的飛速發(fā)展，人類對信息處理能力的要求越來越高，低延時、低能耗、高性能的計算需求應(yīng)運而生。多種學(xué)科的融合創(chuàng)新發(fā)展與復(fù)雜的人類活動催生了諸多新興計算場景，亟待利用新的計算技術(shù)與模式進(jìn)行分析與評估。例如，人工智能技術(shù)的導(dǎo)入，帶來海量、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲與處理需求，同時對計算技術(shù)的解釋性、推理能力以及舉一反三能力等方面均具有較高需求。因此，傳統(tǒng)計算領(lǐng)域供給不足與需求攀升之間的矛盾愈發(fā)突日出，這成為了驅(qū)動量子計算技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。

量子計算技術(shù)突破隨著科技巨頭介入而提速?；诹孔恿W(xué)的量子信息科學(xué)是上世紀(jì)最為重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，自問世以來先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術(shù)。近年來，隨著人類對微觀粒子系統(tǒng)觀測和調(diào)控能力的提升，利用量子力學(xué)中的疊加態(tài)和糾纏態(tài)等獨特物理特性進(jìn)行信息的采集、處理和傳輸己經(jīng)成為可能。人類對微觀粒子系統(tǒng)的探索從“探測時代”向“調(diào)控時代”邁進(jìn)，量子信息科學(xué)因此迎來新一輪快速發(fā)展。在這一輪發(fā)展浪潮中，量子信息技術(shù)的突破點集中在量子計算、量子通信和量子測量等領(lǐng)域。其中，量子通信的技術(shù)難度相對較小，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也最快，目前人類己在積極探索基于衛(wèi)星或光纖網(wǎng)絡(luò)的長距離傳輸和廣域組網(wǎng)應(yīng)用。相比之下，量子計算尚未取得關(guān)鍵技術(shù)突破。然而，伴隨著近年來國內(nèi)外科技巨頭的大力布局，量子計算的技術(shù)突破大大加速。例如，近十年內(nèi)，在IBM、谷歌等的推動下，量子比特數(shù)量的增加速度明顯加快。尤其在近五年內(nèi)，由9位迅速提升至72位，實現(xiàn)了8倍提升。此外，圍繞量子計算的產(chǎn)業(yè)生態(tài)也初具雛形，形成了科研機(jī)構(gòu)、科技巨頭、初創(chuàng)企業(yè)協(xié)力研發(fā)，各垂直領(lǐng)域企業(yè)紛紛布局的發(fā)展態(tài)勢。

量子計算正處于技術(shù)驗證和原理樣機(jī)研制階段。迄今為止，量子計算的發(fā)展可分為三個階段。一是20世紀(jì)90年代以前的理論探索時期。量子計算理論萌生于上世紀(jì)70年代，80年代處于基礎(chǔ)理論探索階段。1982年， Benioff提出量子計算機(jī)概念， Feynman也提出利用量子系統(tǒng)進(jìn)行信息處理的設(shè)想。1985年， Deutsch算法首次驗證了量子計算并行性。二是20世紀(jì)90年代的編碼算法研究時期。1994和1996年，Shor算法和Grover算法分別提出。前者是一種針對整數(shù)分解問題的量子算法，后者是一種數(shù)據(jù)庫搜索算法。這兩種量子算法在特定問題上展現(xiàn)出優(yōu)于經(jīng)典算法的巨大優(yōu)勢，引起了科學(xué)界對量子計算的真正重視。三是21世紀(jì)以來，隨著科技企業(yè)積極布局，量子計算進(jìn)入了技術(shù)驗證和原理樣機(jī)研制的階段。2000年， DIVincenzo提出建造量子計算機(jī)的判據(jù)。此后，加拿大D-Wave公司率先推動量子計算機(jī)商業(yè)化，IBM、谷歌、微軟等科技巨頭也陸續(xù)開始布局量子計算。2018年，谷歌發(fā)布了72量子位超導(dǎo)量子計算處理器芯片。2019年，IBM發(fā)布最新IBM Q System One量子計算機(jī)，提出衡量量子計算進(jìn)展的專用性能指標(biāo)——量子體積，并據(jù)此提出了“量子摩爾定律”，即量子計算機(jī)的量子體積每年增加一倍。若該規(guī)律成立，則人類有望在 10 年內(nèi)實現(xiàn)量子霸權(quán)。

量子計算的應(yīng)用展望

當(dāng)前，量子計算的產(chǎn)業(yè)化仍處于最初階段。因此，在未來5～10 年內(nèi)，倘若量子計算技術(shù)未能取得跨越式突破，則其市場規(guī)模將較為有限。據(jù)BCC Research預(yù)測，全球量子計算市場規(guī)模有望于2022 年超過1.5億美元，2027年有望達(dá)到13億美元。此外，據(jù)波士頓咨詢報告，預(yù)計到2035年，全球市場規(guī)模將達(dá)到20億美元。從中遠(yuǎn)期來看，若量子計算技術(shù)迭代速度超出預(yù)期，則2035年的市場規(guī)?？赏黄?00億美元，2050年則有望接近3000億美元。相比之下，當(dāng)前全球計算市場的總規(guī)模約為8000億美元。

量子計算具有經(jīng)典計算技術(shù)難以企及的并行計算能力和信息攜帶量，有望成為滿足未來計算需求、加速科技創(chuàng)新的新引擎。在可預(yù)期的未來，量子計算機(jī)不會完全取代經(jīng)典計算機(jī)，但會依托其在并行計算、量子行為模擬等方面的獨特優(yōu)勢，在算力需求極高的特定場景中發(fā)揮作用。例如，量子計算有望用于基礎(chǔ)科研、化工、能源、材料、人工智能、信息安全、加密通信、太空探索等領(lǐng)域，對各國科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展乃至經(jīng)濟(jì)社會的各個方面帶來顛覆性影響。

從中短期來看，量子計算主要可在量子模擬、量子優(yōu)化和量子增強(qiáng)人工智能等方面發(fā)揮作用。

量子模擬。在傳統(tǒng)計算中，由于難以精確求解方程，當(dāng)前的計算化學(xué)方法嚴(yán)重依賴近似值。相比之下，量子計算所依賴的量子力學(xué)是自然界最基本的物理原理，因此量子計算天然適于模擬各類物理、化學(xué)過程，能夠在更長時間范圍內(nèi)準(zhǔn)確模擬分子行為，因此能夠大幅提升建模精度，在生物藥物、能源材料、化工材料等領(lǐng)域提升研發(fā)效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。例如，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，藥物研發(fā)的前、中、后期都需要大量數(shù)據(jù)計算，尤其在中期環(huán)節(jié)，需要極高的計算能力以支撐分子性質(zhì)模擬和藥品功能設(shè)計。

量子優(yōu)化。優(yōu)化問題需要從諸多解決方案中找到最優(yōu)解，對傳統(tǒng)計算而言，在大規(guī)模物流網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜系統(tǒng)中，設(shè)計滿足各種需求的最優(yōu)路線的計算量很大。例如，對僅有數(shù)百個集散地的物流網(wǎng)絡(luò)而言，而窮盡所有可能性，傳統(tǒng)計算機(jī)需要數(shù)十億年時間。量子計算則能大幅提升計算效率，從而在物流運輸、航空旅行、交通管制、金融資產(chǎn)管理、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域中提升運營效率、減少碳排放等。

量子增強(qiáng)人工智能。人工智能對算力需求的一大特征即海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的并行計算，這也是傳統(tǒng)CPU芯片難以勝任，從而導(dǎo)致GPU、FPGA、ASIC等芯片在人工智能領(lǐng)域大受歡迎的原因。如上文所述，量子計算的超強(qiáng)算力源自量子并行，因而其十分適于進(jìn)行人工智能所需的并行計算。當(dāng)前，量子計算將量子力學(xué)理論與計算機(jī)技已經(jīng)開始用于提升機(jī)器學(xué)習(xí)在數(shù)據(jù)聚類等領(lǐng)域的能力。

量子計算技術(shù)與發(fā)展路線圖

量子芯片以及量子算法是研發(fā)量子計算機(jī)的兩個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。量子芯片即為量子計算機(jī)的物理實現(xiàn)與硬件系統(tǒng)，量子算法則是將量子計算效率最大化的軟件系統(tǒng)。

量子計算關(guān)鍵技術(shù)

量子芯片。將量子力學(xué)理論與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的概念由美國物理學(xué)家Feynman于1982年首次提出。3年后，英國牛津大學(xué)的Deutsch團(tuán)隊對量子計算機(jī)的概念進(jìn)行了進(jìn)一步闡述，并提出研究如何由量子邏輯門構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)通用量子計算機(jī)的核心。目前，量子計算的各類物理體系雖都取得了較大進(jìn)展，但未來哪種物理體系最終可研制成通用量子計算機(jī)尚無定論。

1.超導(dǎo)量子計算。超導(dǎo)量子計算利用超低溫“凍結(jié)”粒子的運動進(jìn)而實現(xiàn)粒子狀態(tài)的控制，量子比特有超導(dǎo)相位、超導(dǎo)磁通和超導(dǎo)電荷三種形式。超導(dǎo)量子計算的核心單元是約瑟夫森結(jié)，約瑟夫森結(jié)是一種“超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體”的三層結(jié)構(gòu)。利用超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)來觀測宏觀量子現(xiàn)象最早由Leggett于1985年提出，隨后研究人員在超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件中陸續(xù)觀測并實現(xiàn)了能級量子化、量子隧穿、量子態(tài)疊加、量子相干振蕩等現(xiàn)象。

超導(dǎo)量子計算是目前進(jìn)展最快最好的一種固體量子計算實現(xiàn)方法。由于超導(dǎo)量子電路的能級結(jié)構(gòu)可通過外加電磁信號進(jìn)行調(diào)控，電路的設(shè)計定制的可控性強(qiáng)。同時，得益于基于現(xiàn)有的成熟集成電路工藝，超導(dǎo)量子電路具有多數(shù)量子物理體系難以比擬的可擴(kuò)展性。但是在實現(xiàn)超導(dǎo)量子比特體系過程中，由于量子體系的不可封閉性，環(huán)境噪聲、磁通型偏置噪聲等大量不易操控的自由度導(dǎo)致耗散和退相干。此外，超導(dǎo)量子系統(tǒng)工作對物理環(huán)境要求極為苛刻（超低溫）均是超導(dǎo)量子計算實現(xiàn)過程中不可避免的問題。

目前谷歌、IBM、英特爾等企業(yè)均在積極開展超導(dǎo)量子比特實驗研究。2018年3月3日，谷歌量子人工智能實驗室發(fā)布狐尾松 （Bristlecone）量子處理器。該處理器可實現(xiàn)72個量子比特長度上的單比特門操縱，單量子比特門最佳保真度99.9 % ，雙量子比特門的最佳保真度99.4%。

2.半導(dǎo)體量子點。半導(dǎo)體量子點也是基于現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的一種量子計算物理實現(xiàn)方法。在平面半導(dǎo)體電子器件上制備出的單電子晶體管，其電子服從量子力學(xué)運動規(guī)律，電子自旋的向上和向下組成的系統(tǒng)可作為一個量子比特。根據(jù)電子的泡利不相容原理，通過自旋和電荷之間的關(guān)聯(lián)，可以通過普通的電子開關(guān)（門）對電子自旋進(jìn)行控制，完成包括單量子比特操作、兩量子比特操作及結(jié)果的讀出等在內(nèi)的對電子自旋編碼的量子比特的各種操作。

半導(dǎo)體量子點體系具有良好的可擴(kuò)展性，量子點的原子性質(zhì)可以通過納米加工技術(shù)和晶體生長技術(shù)來人為調(diào)控，比一般的量子體系更容易集成。此外，半導(dǎo)體量子點的制備可與現(xiàn)有半導(dǎo)體芯片工藝完全兼容，因而成熟的傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝可為半導(dǎo)體量子點的技術(shù)實現(xiàn)與后續(xù)部署帶來極大便利。但是半導(dǎo)體量子點體系受周圍核自旋影響嚴(yán)重，面臨退相干以及保真度不足兩大挑戰(zhàn)。

技術(shù)進(jìn)展方面，荷蘭代爾夫特大學(xué)的Kouwenhoven團(tuán)隊于2004年在半導(dǎo)體器件上首次實現(xiàn)了自旋量子比特的制備。3年后，代爾夫特大學(xué)的Vanderspyen團(tuán)隊在同一塊半導(dǎo)體量子點器件上實現(xiàn)了量子比特制備、量子邏輯門操作、量子相干與測量等自旋量子計算的全部基本要素。2014年新南威爾士大學(xué)獲得了退相干時間120微秒、保真度99.6%的自旋量子比特。2017年，日本理化研究所在硅鍺系統(tǒng)上獲得了退相干時間達(dá)到20微秒、保真度超過99.9%的量子比特。2018年中國科技大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊制備了半導(dǎo)體六量子點芯片，并實現(xiàn)了三量子比特的Toffoli門操控，成為國際上首個在半導(dǎo)體量子點體系中實現(xiàn)的三量子比特邏輯門。

3.離子阱量子計算。離子阱的技術(shù)原理是利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制帶電粒子體運動，并利用受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成的兩個能級作為量子比特。盡管離子阱技術(shù)本身的發(fā)展可以追溯到1980年，但是利用離子阱技術(shù)實現(xiàn)量子計算由奧地利因斯布魯克大學(xué)（Innsbruck）Blatt實驗室的CirCa和Zoller于1995年首次提出。2003年，該實驗了室實現(xiàn)利用失諧激光束照射和激光冷卻控制非門，同年該實驗室第一次成功地利用離子阱技術(shù)實現(xiàn)了Deutsch-Jozsa算法。

離子阱量子計算具有量子比特品質(zhì)高、相干時間較長以及量子比特的制備和讀出效率較高三大特點。然而，離子阱技術(shù)目前仍面臨四大難點：一是離子阱暫時難以儲存多條離子鏈;二是由于外加激光強(qiáng)度、頻率及相位的不穩(wěn)定，且離子對電場噪聲敏感導(dǎo)致的消相干問題;三是可擴(kuò)展性差;四是體積龐大，小型化尚需時日。

目前開展離子阱量子計算技術(shù)研究的有IonQ、NIST、ETH和SandiaNational Lab。IonQ于2018年12月11日公布了兩個新型離子阱量子計算機(jī)，具有160個存儲量子比特，可實現(xiàn)79個量子比特長度上的單比特門操縱，11比特長度上雙比特操縱。保真度方面，單比特平均保真度99%，雙比特平均保真度98%。

4.光學(xué)量子計算。光學(xué)量子計算（OQC）是基于測量的量子計算方案，利用光子的偏振或其他自由度作為量子比特，光子是一種十分理想的量子比特的載體，以常用的量子光學(xué)手段即可實現(xiàn)量子操作。光學(xué)量子計算根據(jù)其物理架構(gòu)分為兩種： KLM光學(xué)量子計算以及團(tuán)簇態(tài)光學(xué)量子計算。KLM光學(xué)量子計算僅使用單光子、線性光學(xué)和測量，允許通過和可擴(kuò)展光學(xué)量子計算，目前己經(jīng)實現(xiàn)了光子—光子之間的兩量子位的邏輯操作。團(tuán)簇態(tài)光學(xué)量子計算由一個高度糾纏的成為團(tuán)簇態(tài)的多粒子態(tài)組成，與單量子測量和前饋相結(jié)合，實現(xiàn)可擴(kuò)展的通用量子計算，具有降低整體復(fù)雜性和放寬測量過程的物理需求，以及物理資源的更有效利用等技術(shù)優(yōu)勢。

由于光子與環(huán)境相互作用很小，光學(xué)量子計算具有相干時間長、操控手段簡單、與光纖和集成光學(xué)技術(shù)的相容性，以及簡單的資源可擴(kuò)展性等優(yōu)點。但也正是由于光子之間相互作用微乎其微，導(dǎo)致兩量子比特之間的邏輯門操作難以實現(xiàn)。

技術(shù)進(jìn)展方面，目前中國研究團(tuán)隊已經(jīng)在實驗室產(chǎn)生了同時具備高系統(tǒng)效率（33%）、高純度（97%）和高全同性（90%）的高品質(zhì)單光子源和基于參量下轉(zhuǎn)換的10光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，光學(xué)量子計算的基本操作（如概率性的控制邏輯門）和各種算法（大數(shù)分解算法、數(shù)據(jù)庫搜索、線性方程組求解算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、波色取樣）的簡單演示驗證也己經(jīng)實現(xiàn)。在光學(xué)量子計算可集成研究方面，麻省理工學(xué)院、牛津大學(xué)、布里斯托大學(xué)、維也納大學(xué)、昆士蘭大學(xué)等小組基于硅光子學(xué)、鈮酸鋰波導(dǎo)、二氧化硅波導(dǎo)等平臺，通過刻蝕或激光直寫等方式產(chǎn)生10個通道左右的量子線路用于少數(shù)光子數(shù)的原理性研究。單光子探測方面，美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局、荷蘭代爾夫特大學(xué)等機(jī)構(gòu)以及可以生產(chǎn)同時具備高探測效率（93%），高重復(fù)頻率（150MHz）的超導(dǎo)納米線單光子探測器。

5.量子拓?fù)溆嬎?。拓?fù)淞孔佑嬎憬⒃谌碌挠嬎闼悸分?，?yīng)用任意子的交換相位，交換過程的“編辮”程序?qū)崿F(xiàn)量子計算的信息處理。拓?fù)鋵W(xué)研究幾何形象在幾何元素的連續(xù)變形下保持變的性質(zhì)。如果構(gòu)成量子比特的元素是拓?fù)洳蛔兊模谶@些量子比特的運算結(jié)果也具有拓?fù)洳蛔冃浴Ｓ纱藰?gòu)造的量子計算對環(huán)境干擾、噪音、雜質(zhì)有很大的抵抗能力。但拓?fù)淞孔佑嬎闵型Ａ粼诶碚搶用妫瑢嶋H上還未把這些理論付諸成器件化的現(xiàn)實。

量子算法

與傳統(tǒng)計算機(jī)同理，為便于控制并使用通用量子計算機(jī)，可利用量子計算機(jī)程序設(shè)計語言作為人與量子計算機(jī)之間的傳遞信息的媒介。現(xiàn)有量子算法一般固化于專用量子計算設(shè)備中，如果需要改變量子算法就必須重新設(shè)計量子計算設(shè)備。因此，量子計算機(jī)程序設(shè)計語言將成為未來通用量子計算機(jī)算法實現(xiàn)過程中必不可少的系統(tǒng)軟件。

1.舒爾算法。1994年，美國麻省理工貝爾實驗室數(shù)學(xué)家彼得·舒爾（Peter Shor）提出了一個針對整數(shù)分解問題的量子算法，即舒爾算法（Shor's Algorithm）。舒爾算法包含兩個部分：一是將因子分解問題轉(zhuǎn)化成周期問題，該部分可以用傳統(tǒng)方式實現(xiàn);二是使用量子手段來搜尋這個周期，這一部分是舒爾算法中體現(xiàn)量子加速的主要部分。

大整數(shù)分解問題是數(shù)論中的經(jīng)典困難問題，在舒爾算法提出之前，沒有己知算法可以在多項式時間內(nèi)分解大整數(shù)分解問題。著名的公鑰密碼體制RSA正是基于大整數(shù)分解問題的困難性來進(jìn)行加密的。據(jù)微軟研究院估計，破解2048比特強(qiáng)度的RSA密鑰可能需要當(dāng)今最快的經(jīng)典計算機(jī)耗費10億年以上的時間，而運行舒爾算法的量子計算機(jī)只需要不到100秒就可以完成。

舒爾算法的提出，不僅對RSA密碼體制構(gòu)成了威脅，更讓人們認(rèn)識到，量子計算具有非常強(qiáng)大的計算與應(yīng)用潛力。從而促使量子計算機(jī)的研究邁上一個新的臺階。

2.格羅弗算法。1996年，同在麻省理工貝爾實驗室的格羅弗提出了格羅弗搜索算法（Grover's Algorithm），格羅弗算法的實現(xiàn)基于概率幅放大。與其他的量子算法相同，格羅弗算法亦是概率性的。該算法為數(shù)據(jù)庫搜索算法，數(shù)據(jù)庫相當(dāng)于是一張存有未知函數(shù)的所有輸出值的表，以對應(yīng)的輸入值為索引。

量子計算的格羅弗搜索算法遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計算機(jī)的數(shù)據(jù)搜索速度，但不像其他的量子算法可能會比相應(yīng)的經(jīng)典算法有指數(shù)級的加快，格羅弗算法對許多計算問題的傳統(tǒng)算法呈現(xiàn)平方加速。即便如此，加速程度也相當(dāng)可觀，格羅弗算法可以在大約264次迭代內(nèi)窮舉破解一個128比特的對稱密鑰，在大約2128次迭代內(nèi)窮舉破解一個256比特的密鑰。

量子計算的發(fā)展路線圖

雖然國際上量子計算各種物理實現(xiàn)的原理性驗證發(fā)展迅速，都取得了較大進(jìn)展，并且有加速現(xiàn)象，但國際上公認(rèn)短期內(nèi)無法實現(xiàn)量子通用計算機(jī)，量子計算發(fā)的發(fā)展預(yù)計將分為近期、中期與遠(yuǎn)期三個階段。

近期：量子霸權(quán)。量子霸權(quán)是指量子計算機(jī)擁有一項超越現(xiàn)有經(jīng)典計算機(jī)的計算能力，則可稱該量子計算機(jī)實現(xiàn)量子霸權(quán)。由于目前具體實現(xiàn)通用量子計算機(jī)仍尚有時日，但只需實現(xiàn)實用化的專屬目的的量子計算機(jī)即可帶來巨大的學(xué)術(shù)以及工業(yè)價值。隨著量子計算物理體系研究進(jìn)展不斷突破，量子霸權(quán)的實現(xiàn)正日益臨近，而稱霸標(biāo)準(zhǔn)也己成為量子計算領(lǐng)域最為重要的問題之一，玻色采樣即為一種針對光子（玻色子）系統(tǒng)的量子霸權(quán)測試案例。但量子霸權(quán)僅為技術(shù)研發(fā)初期的的一種特有概念形式，實現(xiàn)量子霸權(quán)離實現(xiàn)真正的量子計算機(jī)仍將有很大距離。

中期：量子模擬機(jī)。量子模擬機(jī)利用可控的人造量子系統(tǒng)實現(xiàn)對復(fù)雜物理過程的高效量子模擬。目前業(yè)界主流的模擬方案有兩類，一類是存儲量子狀態(tài)的所有振幅，此類模擬方案，基本都在超級計算機(jī)上實現(xiàn)，因為存儲45比特的量子狀態(tài)需要Petabyte量級的內(nèi)存，在存儲這么多數(shù)據(jù)的同時對該量子態(tài)進(jìn)行操作并進(jìn)行計算，需要不斷地在不同的計算節(jié)點之間交換數(shù)據(jù)，這樣的通信開銷對于普通云服務(wù)是難以承受的。另一類對于任意振幅都可以迅速計算得到結(jié)果。任務(wù)拆分后可以將子任務(wù)十分均衡地分配到不同節(jié)點，極少的通信開銷使得模擬器適配現(xiàn)在廣泛提供服務(wù)的云計算平臺。

遠(yuǎn)期：通用量子計算機(jī)。通用量子計算機(jī)通過把物理量子比特編碼成邏輯量子比特，實現(xiàn)通用的量子計算，最終在大數(shù)據(jù)處理、人工智能、密碼破譯等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。盡管在量子計算的某些領(lǐng)域己經(jīng)取得了進(jìn)展，但對于建造大型無計算錯誤的通用量子計算機(jī)，目前仍存在較多技術(shù)短板，尚無法預(yù)測其具體的商用時間。未來通用量子計算機(jī)并不會直接替代景點計算機(jī)，甚至可能需要經(jīng)典計算機(jī)來控制它們進(jìn)行操作，并實現(xiàn)量子誤差計算修正。因此，通用量子計算機(jī)將成為與算機(jī)互補(bǔ)的特殊設(shè)備。