“20多年前，我覺得量子計算在我有生之年不可能成為現實。但是20年過去了，我覺得新量子革命正在到來、正在發生，量子計算所發展的進程比我想象的要快得多。”——中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉在2017年雲棲大會上欣慰地說。
撰文 | 林梅
量子計算——一個對普通人來說有些遙遠的名詞，如今，你也可以披掛上陣，親身感受它神奇的魅力。
本月22日，在合肥舉辦的中國科學院量子信息與量子科技創新研究院（以下簡稱“量子創新研究院”）2018年度工作會議上，由中科院量子信息與量子科技創新研究院、阿里雲等單位聯合研發的11比特超導量子計算雲平臺正式宣佈上線，這是繼IBM之後全球第二家向公眾提供10比特以上量子計算雲服務的系統。用戶只需要通過特定接口訪問這臺量子計算機，就可以上傳需要運行的量子線路，並得到一個由量子計算給出的結果。量子計算雲平臺的開發，旨在從硬件的角度驗證量子計算的加速性和穩定性，同時培養行業生態，推動量子計算的產業化。對於廣大量子計算方面的理論研究者來說，藉助這個雲平臺，能為自己的研究提供更多的支持和模擬，對於科學愛好者來說，也是一個近距離學習、瞭解量子計算的科普陣地。
目前，可精確操縱11個比特的量子計算服務已在雲端實現了經典計算仿真環境與真實量子處理器的完整後端體驗，用戶不僅可以在超導量子處理器上運行符合特定要求的自定義的各種量子線路，並下載運行結果，還能通過經典計算仿真，與量子處理器進行比對。測試結果顯示，該量子處理器單比特門保真度平均為99.7%，雙比特門平均為94.9%。
何為超導量子計算？
今天我們手中拿著的各種類型、花樣百出的計算機，其實基本單元都是一個個集成化了的晶體管，每個晶體管用來表示0或者1的信息，通過各種邏輯運算，幫助我們得到想要的結果。
但是，再集成化也趕不上數字時代人們指數增長的信息計算需求。因為芯片的集成密度總有物理極限，特別是處理一些特定的複雜問題（如大數分解），現有計算機處理起來的時間可能要以成百上千年為單位了。
30年前，科學家提出了一種全新的計算方式——將傳統的二進制計算邏輯“嵌入”量子體系，利用量子疊加原理，令量子比特同時處於0和1的疊加態，這樣，隨著比特數的增加，存儲和計算的能力將指數增加！
怎麼理解這種指數級加速呢？我們可以想象，對於經典計算機來說，兩個比特在某一時刻只可能表示00，01，10，11四種可能性中的一種，而量子計算裡，兩個比特單位可以同時容納4個值：00，01，10和11。也就是說，我們可以同時對2^N個態進行操縱。
中國有個詞叫“歧路亡羊”，就是說岔路之中又有岔路的複雜迷宮中，你是很難找到目標的。而量子計算，就好比玩一種神秘的迷宮遊戲，它可以利用不多的量子比特，同時幻化出很多個分身，同時在很多很多的岔路上尋找目標，在極短時間內完成任務。
在所有有望實現這種美好構想的體系中，超導，因其獨特的優勢，贏得了大多數科學家的青睞。
提起超導，大家想到的都是“無電阻”。其實，超導體還有很多奇妙的性質。其中，一種叫做約瑟夫森結的存在，大大拓展了超導的應用，甚至發展出了一門新興的學科——超導電子學。
約瑟夫森結是1962年由B.D約瑟夫森預言的。這是什麼現象呢？如果兩塊超導體通過某種方式弱連接起來，比如兩塊超導體中間有一個可供庫珀對遂穿的超薄絕緣層，那麼兩塊超導體之間將出現一個超導電流；而如果兩端加上電壓呢，通過結的電流就變成了一個交變振盪的超導電流，頻率與電壓成正比；再進一步，如果將兩個約瑟夫森結連接成閉合環路，加以適當大小的偏置電流，超導電流將受到干涉儀中間磁場的調製。這種與電壓、磁場調節相關的豐富的電學性能，令科學家們想要試圖將其用在量子線路里，扮演傳統電路里PN結的角色。
比如，如果我們用約瑟夫森結做成一個量子電感，在特定條件下，電子的行為處在一個量子化的、不等距的能級系統，就好像電子擁有了一個好幾層樓的大別墅——它可以住在一樓，可以住在二樓，高興了還可以兩層樓同時住。只要施加一個頻率等於0和1能級差的微波，就可以方便地對電子“住”在0能級和1能級進行操控。再加上超導電路的無損耗特性，人們就可以實現長相干時間的量子操控。
實際的超導量子電路，長得像這個樣子：
我們用兩個約瑟夫森結做成一個SQUID（圖中兩個X構成的部分），我們前面說過，SQUID中的電流受到所加磁場的調製，利用SQUID的這個特性，我們就可以通過施加磁場控制臨界電流，進而控制好量子比特即能極差——也就是說，電子所住每層樓的間距被人為控制。
接下來，通過一個與比特失諧耦合的腔（圖中由Lr和Cr構成）來讀取量子比特的狀態。在與比特的耦合作用下，腔的諧振頻率會發生微弱的移動，移動的大小與比特的狀態有關，我們只需測量腔的諧振頻率附近的信號，即可實現比特狀態的讀取。
最後，多個比特通過鄰近的電容耦合起來，就是此次超導量子處理器所用的樣品。
大家可以看到，超導電子學理解起來是不是與經典電路頗有相似之處？其實，它實現起來，很多加工技術也都是藉助了現有的半導體芯片加工工藝，這也是超導量子計算被科學家們看好的原因之一。
把量子計算機放進“大冰箱”
超導量子計算機是一個異常脆弱的系統，尤其是對熱噪聲異常的敏感。咱們前面說了，量子計算靠的就是對電子住在0能級和1能級來進行操控，這個量子比特的能級非常非常小，折算成溫度大約只有48∼960mK，此外，溫度稍微高一點，超導體內部都會產生損耗，所以，我們的超導計算機需要一個專用的大冰箱，讓它保持在非常低的溫度。
說起來，這個專用的大冰箱和我們家用的冰箱一樣，也是一個熱泵。只不過呢，它是利用He3/He4混合液體的濃縮相向稀釋相擴散He3時的吸熱來製冷的，我們可以使用一個泵來不斷的抽取稀釋相中的He3，同時將抽出來的He3不斷液化送回濃縮相，這樣就可以產生一個不斷吸熱的稀釋製冷循環，讓溫度保持在10mk的低溫。
超導量子計算激戰正酣
對於量子計算的前景，業界普遍認為，需要達到以下幾個條件，才可能實現通用的量子計算：
1.可擴展的明確定義的量子比特系統；
2.將量子比特狀態初始化為簡單基準態的能力，比如|000…>態；
3.比門操作時間長得多的退相干時間；
4.一組通用操作門集合；
5.能對比特進行高效的測量。
對於超導量子計算來說，已經初步達到了以上門檻，由於其與傳統半導體工藝的兼容性，Google、IBM、NASA等商業巨頭紛紛佈局這一複雜深奧的計算領域。
關於量子計算的前景，主流的觀點認為，當可以精確操縱的量子比特超過一定數目，量子計算機就能在特定任務上令經典計算機望塵莫及，也就是說，在有限時間或空間約束下，比任何一臺經典計算機做得好很多。這就是美國加州理工學院物理學家約翰·普瑞斯基爾提出的量子霸權（quantum supremacy）。
谷歌在超導量子技術方面擁有最好的積累，作為“量子霸權”概念的踐行者，提出量子隨機線路的算法，谷歌估計，這個實現量子霸權的量子比特數目大約是49[1]。
去年十月，谷歌的競爭者——美國IBM在arXiv公佈了一篇文章，聲稱實現深度為27的49比特線路和深度為23的56比特線路的經典仿真[2]，意圖證明49個比特遠不能實現量子霸權，進而推翻谷歌利用49個比特實現量子霸權的計劃。
IBM的挑釁很快被谷歌迎頭痛擊。兩個月之後，谷歌同樣在arXiv跟進一篇文章，指出量子比特數目只是量子霸權的一個方面，同樣重要的量子線路深度也需要同時考慮。谷歌聲稱，他們最早提出來的量子霸權路線圖[1]並沒有被IBM攻破，因為文中很清楚地提到量子比特數目達到49，同時量子線路的深度也要達到49。谷歌進一步給出了不同量子比特數目和不同線路深度下的詳細測試結果，說明，如果量子線路深度只有19，即使達到100個量子比特，也是可以被經典模擬的[3]。
《Nature》報道援引Martinis本人回應以及MIT 計算機科學權威Scott Aaronson的評價，認為該論文並未削弱“量子霸權”實驗的合理性，反而證明了Google已規劃的“量子霸權”測試的前提[4]。
根據谷歌2017年12月給出的數據，經典計算機模擬量子比特所需要的時間，與比特數和深度兩個指標都密切相關。從測試結果看，經典仿真具有100個量子比特、深度為20的量子線路和具有25個量子比特深度為45的難度是類似的。因此在宣佈的時候不能只談論量子比特數目。這就如同如果無法實現N的量子比特的糾纏，只說芯片上的量子比特數目是沒有意義的。
在量子線路的經典仿真方面，國內也有不少小組跟進研究，其中中國科大的郭光燦院士帶領的團隊利用經典計算機對複雜量子比特線路進行了理論模擬，實現了深度為22的64比特線路的經典仿真[5]。該結果也在2月22日的中科院量子創新研究院年度工作會議上進行了發佈。
也就是說，現有實驗數據都顯示出量子霸權的前景，人們目前的任何一臺經典計算機都無法和具有合理量子線路深度的50個量子比特以上的量子計算機一較高下。在這場激烈的競爭中，誰都希望率先把自己的旗幟插上高地。中國的團隊自然也不例外。
去年，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事朱曉波、陸朝陽等，聯合浙江大學王浩華教授研究組，在超導體系首次實現了十個超導量子比特的糾纏[6]，並在此基礎上實現了快速求解線性方程組的量子算法[7]。
此次上線的這臺量子計算機，是中國量子人自主研發的首個為公眾提供有11個超導量子比特量子計算服務的雲計算平臺，可以實現單比特操作，雙比特操作和多比特讀取等多種操作組合成的量子線路。測試結果顯示，計算時間、保真度等重要性能指標與IBM量子云相當。
據悉，該團隊在實驗室中已經將雙比特門的保真度提高到了99%以上，同時已經交付並初步測試了24個超導量子比特的處理器。未來，科研人員將持續提高雲平臺性能，為用戶提供更多比特、更高精度的量子計算服務。
中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉認為，量子計算具有劃時代的意義。量子力學催生了第三次產業變革，目前它又為了解決大數據帶來的計算能力瓶頸問題做好了準備。
量子計算憑藉超快的計算能力，在例如人工智能，量子模擬，藥物開發，量子優化等特殊問題的求解能力上，有望真正超越“超級計算機”。中國在這場角逐中，有著自己的線路圖，中國科學家希望未來幾年的時間內，實現對50個量子比特的操縱，實現“量子霸權”。
感謝鄭亞銳、艾科夫對本文的幫助。
[1] Sergio Boixo, Sergei V. Isakov, Vadim N. Smelyanskiy, Ryan Babbush, Nan Ding, Zhang Jiang, Michael J. Bremner, John M. Martinis, Hartmut Neven, Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices,arXiv:1608.00263 (2016).
[2] Edwin Pednault, John A. Gunnels, Giacomo Nannicini, Lior Horesh, Thomas Magerlein, Edgar Solomonik, Robert Wisnieff，Breaking the 49-Qubit Barrier in the Simulation of QuantumCircuits，arXiv:1710.05867
[3]Sergio Boixo, Sergei V. Isakov, Vadim N. Smelyanskiy, Hartmut Neven,Simulation of low-depth quantum circuits as complex undirected graphical models, arXiv:1712.05384
[4]更多IBM和谷歌之間的爭論，可參閱《“量子霸權”還是“量子優勢”？量子計算競賽“加速時”》http://mp.weixin.qq.com/s/114zZ_e6QCTsNq1RZaGa_w
[5]Zhaoyun Chen, Qi Zhou, Cheng Xue, Xia Yang, Guangcan Guo, Guoping Guo,64-Qubit Quantum Circuit Simulation, arXiv:1802.06952
[6] Chao Song, Kai Xu, Wuxin Liu, Chuiping Yang, Shi-Biao Zheng, Hui Deng, Qiwei Xie, Keqiang Huang, Qiujiang Guo, Libo Zhang, Pengfei Zhang, Da Xu, Dongning Zheng, Xiaobo Zhu, H. Wang, Y.-A. Chen, C.-Y. Lu, Siyuan Han, J.-W. Pan, 10-Qubit Entanglement and Parallel Logic Operations with a Superconducting Circuit, Phys. Rev. Lett., 119 (2017), 180511
[7] Yarui Zheng, Chao Song, Ming-Cheng Chen, Benxiang Xia, Wuxin Liu, Qiujiang Guo, Libo Zhang, Da Xu, Hui Deng, Keqiang Huang, Yulin Wu, Zhiguang Yan, Dongning Zheng, Li Lu, Jian-Wei Pan, H. Wang, Chao-Yang Lu, Xiaobo Zhu, Solving Systems of Linear Equations with a Superconducting Quantum Processor, Phys. Rev. Lett., 118 (2017), 210504
閱讀更多 墨子沙龍 的文章
