出品：科普中國(guó)

作者：欒春陽(yáng)（清華大學(xué)物理系）

【資料圖】

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

在今年熱映的科幻電影《流浪地球2》中，最強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)“MOSS”展示了自身無與倫比的超強(qiáng)算力。通過探索最強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)“MOSS”的前世今生，我們可以了解到，“MOSS”的創(chuàng)作靈感來源于現(xiàn)實(shí)科學(xué)進(jìn)展，同時(shí)也融入了電影創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)對(duì)未來世界的量子計(jì)算機(jī)的奇妙想象。

流浪地球中的MOSS

（圖片來源：《流浪地球》劇照）

量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的前沿發(fā)展方向，它能夠利用處于1/0糾纏態(tài)的量子比特（qubit）來進(jìn)行并行計(jì)算，從而獲得指數(shù)增長(zhǎng)的超強(qiáng)算力，并且具有廣泛的應(yīng)用前景。自上世紀(jì)90年代以來，科學(xué)家們一直在努力研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，并取得了一系列的進(jìn)展。如今，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在量子化學(xué)、量子優(yōu)化等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，帶來了革命性的變化。

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

也就是說，如果某一物理系統(tǒng)中，穩(wěn)定存在兩個(gè)可以區(qū)別的能量狀態(tài)（能級(jí)），并且在外界驅(qū)動(dòng)下，能級(jí)之間能夠?qū)崿F(xiàn)概率性的躍遷，那么，這兩個(gè)能級(jí)就可以分別編碼成為1態(tài)和0態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)1/0糾纏態(tài)編碼，并且作為量子比特參與到量子計(jì)算機(jī)的并行運(yùn)算中。而根據(jù)選擇的編碼1/0的糾纏態(tài)的物理載體不同，量子計(jì)算機(jī)可以具體分為不同的類型。

直到目前，有望實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的主流候選方案有很多種，但實(shí)際上，無論采用何種型號(hào)的量子計(jì)算機(jī)，都必須滿足一些特定的基本要求。接下來，我們將依次梳理一下構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)的5大基本要求：

需要能夠編碼0/1疊加態(tài)的量子比特

我們目前生活中接觸到的計(jì)算設(shè)備都是經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用經(jīng)典比特（bit）來進(jìn)行二進(jìn)制運(yùn)算。一個(gè)經(jīng)典比特只能處于1態(tài)或者0態(tài)中的一種，這就像一枚硬幣只有正面和反面兩種狀態(tài)，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)的所有運(yùn)算操作都是基于1態(tài)或者0態(tài)之間的轉(zhuǎn)換和組合。

而量子比特是量子計(jì)算機(jī)中的基本運(yùn)算單元，單個(gè)量子比特可以同時(shí)處于多種可能的狀態(tài)中，其中最基本的量子態(tài)分別是1態(tài)和0態(tài)，但單個(gè)量子比特還可以同時(shí)處于1態(tài)和0態(tài)的疊加態(tài)。

例如，對(duì)于一個(gè)處于1態(tài)和0態(tài)等概率疊加的量子比特，在未被外界測(cè)量前，這個(gè)量子比特就有50%的概率處于1態(tài)，同時(shí)也有50%的概率處于0態(tài)。也就是說，量子比特能夠以任意的概率P處于1態(tài)，同時(shí)以Q概率處于0態(tài)，并且始終滿足概率P和Q的和為100%。

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

量子比特的數(shù)目是衡量一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的重要指標(biāo)之一，量子比特的數(shù)目越多，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力就越強(qiáng)，可以處理更加復(fù)雜的問題。例如，一臺(tái)具有50個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，就可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)將一個(gè)長(zhǎng)達(dá)2048位的超大整數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要數(shù)千年才能解決同樣的問題。

這個(gè)運(yùn)算結(jié)果在密碼學(xué)和信息安全領(lǐng)域具有重要意義，因?yàn)楝F(xiàn)今大多數(shù)的加密算法都是基于超大整數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解的時(shí)間復(fù)雜性，而量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)可能會(huì)威脅到傳統(tǒng)的加密方法。

目前，已經(jīng)有許多新的加密算法被提出來，其中一種被廣泛研究的替代方案是基于量子力學(xué)的加密方式，稱為量子密鑰分發(fā)（QKD）。量子密鑰分發(fā)的加密方案利用了量子態(tài)的不可復(fù)制性和非局域性，這樣一來，通信的雙方就可以在不受到竊聽的情況下建立一個(gè)高度安全的通信信道。

需要一組通用的量子邏輯門操作

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，任意復(fù)雜的邏輯門操作都可以分解成為基本的布爾運(yùn)算，這包括AND（與）、OR（或）和NOT（非）門等。

其中，AND（與）操作是指只有兩個(gè)輸入都為1時(shí)，輸出才為1，否則輸出為0。

OR（或）操作是指只要兩個(gè)輸入中有一個(gè)為1，輸出就為1，否則輸出為0。

而NOT（非）操作是指將一個(gè)輸入取反，輸出為其相反的值。

因此，這些基本的邏輯門操作可以組合使用，從而構(gòu)建更加復(fù)雜的邏輯電路，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的復(fù)雜運(yùn)算需求。

類似于經(jīng)典計(jì)算中的邏輯門操作，量子計(jì)算機(jī)中的任意復(fù)雜運(yùn)算也可以分解為某幾個(gè)基本的邏輯門的組合，并且這些基本邏輯門可以用來構(gòu)建復(fù)雜的量子算法和量子電路。因此，這些基本的邏輯門被稱為通用的量子邏輯門。

三個(gè)基本邏輯門符號(hào)的矢量集合

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

一般而言，一組通用的量子邏輯門通常包括單量子比特門和多量子比特門，可以對(duì)量子比特進(jìn)行不同類型的變換和相互作用。其中，單量子比特門是作用于單個(gè)量子比特的門操作，用來改變單個(gè)量子比特的狀態(tài)。而多量子比特門可以作用于多個(gè)量子比特，從而實(shí)現(xiàn)量子比特之間的糾纏操作等。

通過對(duì)一系列的單量子比特門和多量子比特門的復(fù)合操作，量子計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)任意特定的量子算法，從而在量子計(jì)算中實(shí)現(xiàn)高效的計(jì)算任務(wù)。因此，一組通用的量子邏輯門操作具有非常重要的意義和價(jià)值，它也為量子算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)和支撐。

能夠高質(zhì)量地制備量子態(tài)并且初始化

為了執(zhí)行量子計(jì)算中特定的運(yùn)行算法，量子計(jì)算機(jī)中的量子比特需要在外界條件的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)特定的量子態(tài)的制備，從而完成初始化。例如，實(shí)驗(yàn)上可以直接將量子比特制備到1態(tài)或者0態(tài)，或者1態(tài)和0態(tài)等概率的疊加態(tài)。這樣一來，制備到某一特定量子態(tài)的量子比特就完成了運(yùn)算中的初始化操作。

然而，量子比特的量子態(tài)非常容易受到外界的干擾而出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此，為了保證量子計(jì)算結(jié)果的精度和可靠性，需要能夠高質(zhì)量地制備量子態(tài)并且初始化。

在實(shí)驗(yàn)中，高質(zhì)量的量子態(tài)制備和初始化需要使用一些特殊的操作方法。例如，通過使用激光冷卻技術(shù)可以制備出幾乎靜止的帶電離子，并準(zhǔn)確地調(diào)整到量子計(jì)算所需的能級(jí)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的制備和初始化。

（圖片來源：Phys.org）

因此，高質(zhì)量的量子態(tài)制備和初始化對(duì)于量子計(jì)算的成功非常關(guān)鍵，并且可以減少量子計(jì)算中的誤差和干擾，從而保證量子計(jì)算機(jī)整體的運(yùn)算性能。

需要足夠大的相干時(shí)間與邏輯門的運(yùn)算時(shí)間比值

我們可以把量子比特想象成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的球，在沒有外界干擾的條件下，小球可以一直保持旋轉(zhuǎn)，從而穩(wěn)定地處于1/0的糾纏態(tài)。但是，量子比特的量子態(tài)非常容易受到外界的干擾，那么小球就會(huì)逐漸失去旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而破壞1/0的糾纏態(tài)，而量子比特的這種保持糾纏態(tài)的時(shí)長(zhǎng)就是“相干時(shí)間”。

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

在這段時(shí)間內(nèi)，量子比特的量子態(tài)將穩(wěn)定地保持在1/0的糾纏態(tài)上，這是量子計(jì)算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。而相干時(shí)間的長(zhǎng)短取決于量子比特所處的外界環(huán)境和量子比特的物理構(gòu)造，通常情況下，量子比特的相干時(shí)間只有幾毫秒或更短的時(shí)間。

因此，要在這有限的相干時(shí)間內(nèi)，對(duì)量子比特進(jìn)行足夠多次的邏輯門操作，就需要相干時(shí)間與邏輯門的運(yùn)算時(shí)間的比值足夠大。

在實(shí)際應(yīng)用中，人們會(huì)采取各種措施來延長(zhǎng)量子比特的相干時(shí)間，例如，降低實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度、采用優(yōu)化的量子比特結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)、使用量子糾錯(cuò)技術(shù)等以提高量子計(jì)算的精度和可靠性。

最終量子比特的狀態(tài)能夠被高質(zhì)量地探測(cè)

在量子計(jì)算機(jī)完成運(yùn)算的最后，我們需要對(duì)量子比特的狀態(tài)進(jìn)行高質(zhì)量的探測(cè)，這是因?yàn)榱孔佑?jì)算最終結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性依賴于對(duì)量子比特的準(zhǔn)確讀取。同時(shí)，高質(zhì)量的量子比特的探測(cè)技術(shù)也是量子通信、量子密鑰分發(fā)（QKD）等應(yīng)用的基礎(chǔ)。

一般而言，量子比特的狀態(tài)是通過探測(cè)器來進(jìn)行讀取的，這是因?yàn)樘綔y(cè)器可以探測(cè)出量子比特的狀態(tài)，比如它的自旋、位置、能量等等。

此外，高質(zhì)量的量子比特探測(cè)不僅需要具備高精度、高速度的特點(diǎn)，還需要能夠適用于不同類型的量子比特。目前已經(jīng)開發(fā)出了一系列適用于不同類型量子比特的探測(cè)技術(shù)，比如基于超導(dǎo)量子干涉儀、單光子探測(cè)器等。

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

這些高質(zhì)量的探測(cè)方式不僅可以幫助我們精確地讀取量子比特的狀態(tài)，而且可以檢測(cè)出更加微小的量子效應(yīng)。因此，對(duì)量子比特的狀態(tài)進(jìn)行高質(zhì)量的探測(cè)對(duì)于量子計(jì)算的成功至關(guān)重要。

綜上所述，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)真正實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，需要滿足實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的5大基本要求，并且還需要克服無數(shù)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)難題。

結(jié)語(yǔ)

盡管現(xiàn)在發(fā)展量子計(jì)算技術(shù)還存在很多挑戰(zhàn)，但是科學(xué)家們正不斷探索、研究和發(fā)展各種量子計(jì)算方案。目前已經(jīng)有多種量子計(jì)算方案被提出，如離子阱系統(tǒng)、超導(dǎo)量子系統(tǒng)、光量子體系、中性原子、量子點(diǎn)、金剛石NV色心以及拓?fù)淞孔芋w系等等。

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

雖然現(xiàn)在的每種候選方案都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，但是各位候選方案仍然在這條通往量子計(jì)算的賽道上不斷追趕。我們有理由相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在不久的將來，我們將會(huì)看到真正實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)的問世，從而為人類社會(huì)的發(fā)展帶來空前的生產(chǎn)力進(jìn)步。

編輯：孫晨宇