【環(huán)球聚看點】尋找現(xiàn)實世界中的“MOSS”（二）： 量子計算機的5大基本要求

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學(xué)物理系）

【資料圖】

監(jiān)制：中國科普博覽

在今年熱映的科幻電影《流浪地球2》中，最強量子計算機“MOSS”展示了自身無與倫比的超強算力。通過探索最強量子計算機“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)實科學(xué)進(jìn)展，同時也融入了電影創(chuàng)作團(tuán)隊對未來世界的量子計算機的奇妙想象。

流浪地球中的MOSS

（圖片來源：《流浪地球》劇照）

量子計算機是當(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)行并行計算，從而獲得指數(shù)增長的超強算力，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)量子計算機，并取得了一系列的進(jìn)展。如今，量子計算機已經(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）

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

直到目前，有望實現(xiàn)通用量子計算機的主流候選方案有很多種，但實際上，無論采用何種型號的量子計算機，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)造量子計算機的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算設(shè)備都是經(jīng)典計算機，而經(jīng)典計算機使用經(jīng)典比特（bit）來進(jìn)行二進(jìn)制運算。一個經(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)典計算機的所有運算操作都是基于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算機中的基本運算單元，單個量子比特可以同時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)，但單個量子比特還可以同時處于1態(tài)和0態(tài)的疊加態(tài)。

例如，對于一個處于1態(tài)和0態(tài)等概率疊加的量子比特，在未被外界測量前，這個量子比特就有50%的概率處于1態(tài)，同時也有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）

量子比特的數(shù)目是衡量一臺量子計算機運算能力的重要指標(biāo)之一，量子比特的數(shù)目越多，量子計算機的運算能力就越強，可以處理更加復(fù)雜的問題。例如，一臺具有50個量子比特的量子計算機，就可以在幾個小時內(nèi)將一個長達(dá)2048位的超大整數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解，而經(jīng)典計算機需要數(shù)千年才能解決同樣的問題。

這個運算結(jié)果在密碼學(xué)和信息安全領(lǐng)域具有重要意義，因為現(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)分解的時間復(fù)雜性，而量子計算機的出現(xiàn)可能會威脅到傳統(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)典計算機中，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）操作是指只有兩個輸入都為1時，輸出才為1，否則輸出為0。

OR（或）操作是指只要兩個輸入中有一個為1，輸出就為1，否則輸出為0。

而NOT（非）操作是指將一個輸入取反，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，實現(xiàn)經(jīng)典計算機的復(fù)雜運算需求。

類似于經(jīng)典計算中的邏輯門操作，量子計算機中的任意復(fù)雜運算也可以分解為某幾個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。

三個基本邏輯門符號的矢量集合

（圖片來源：Veer圖庫）

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量子比特的門操作，用來改變單個量子比特的狀態(tài)。而多量子比特門可以作用于多個量子比特，從而實現(xiàn)量子比特之間的糾纏操作等。

通過對一系列的單量子比特門和多量子比特門的復(fù)合操作，量子計算機就可以實現(xiàn)任意特定的量子算法，從而在量子計算中實現(xiàn)高效的計算任務(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值，它也為量子算法的設(shè)計和實現(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)行量子計算中特定的運行算法，量子計算機中的量子比特需要在外界條件的驅(qū)動下，實現(xiàn)特定的量子態(tài)的制備，從而完成初始化。例如，實驗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)錯誤，因此，為了保證量子計算結(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。

在實驗中，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)整到量子計算所需的能級狀態(tài)，從而實現(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)制備和初始化對于量子計算的成功非常關(guān)鍵，并且可以減少量子計算中的誤差和干擾，從而保證量子計算機整體的運算性能。

需要足夠大的相干時間與邏輯門的運算時間比值

我們可以把量子比特想象成一個旋轉(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)的時長就是“相干時間”。

（圖片來源：Veer圖庫）

在這段時間內(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，這是量子計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。而相干時間的長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，量子比特的相干時間只有幾毫秒或更短的時間。

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

在實際應(yīng)用中，人們會采取各種措施來延長量子比特的相干時間，例如，降低實驗環(huán)境的溫度、采用優(yōu)化的量子比特結(jié)構(gòu)和設(shè)計、使用量子糾錯技術(shù)等以提高量子計算的精度和可靠性。

最終量子比特的狀態(tài)能夠被高質(zhì)量地探測

在量子計算機完成運算的最后，我們需要對量子比特的狀態(tài)進(jìn)行高質(zhì)量的探測，這是因為量子計算最終結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性依賴于對量子比特的準(zhǔn)確讀取。同時，高質(zhì)量的量子比特的探測技術(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)是通過探測器來進(jìn)行讀取的，這是因為探測器可以探測出量子比特的狀態(tài)，比如它的自旋、位置、能量等等。

此外，高質(zhì)量的量子比特探測不僅需要具備高精度、高速度的特點，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技術(shù)，比如基于超導(dǎo)量子干涉儀、單光子探測器等。

（圖片來源：Veer圖庫）

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

綜上所述，當(dāng)前實現(xiàn)真正實用化的量子計算機是一項巨大的挑戰(zhàn)，需要滿足實現(xiàn)量子計算機的5大基本要求，并且還需要克服無數(shù)的實驗技術(shù)難題。

結(jié)語

盡管現(xiàn)在發(fā)展量子計算技術(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)展各種量子計算方案。目前已經(jīng)有多種量子計算方案被提出，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、金剛石NV色心以及拓?fù)淞孔芋w系等等。

（圖片來源：Veer圖庫）

雖然現(xiàn)在的每種候選方案都有其獨特的優(yōu)勢和缺點，但是各位候選方案仍然在這條通往量子計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，我們將會看到真正實用化的量子計算機的問世，從而為人類社會的發(fā)展帶來空前的生產(chǎn)力進(jìn)步。

編輯：孫晨宇