量子計算是挑戰人類極限科技能力的系統工程，涉及幾乎所有學科的極限水平技術的總整合，領域發展必定前途光明而道路曲折
文 |俞大鵬院士研究團隊
編者按：量子計算乃至更為廣泛的量子資訊，是基於量子力學原理髮展出來的概念與技術體系，涉及資訊的本質及其處理。 量子計算利用量子疊加、量子糾纏等資源進行資訊編碼和處理，已被證明在若干問題上具有相對於經典計算的極大優勢，在實用化後將對資訊及相關科技產生深遠影響。
中國科學院俞大鵬院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2022年第4期發表《量子計算研究現狀與未來發展》一文。文章概要回顧量子計算的發展歷史，梳理總結代表性的量子計算技術路線及其發展態勢。著眼不同技術路線面臨的共性問題，文章對我國量子計算領域未來發展提出注重戰略規劃和佈局，培養高水平研究團隊，加強基礎研究及核心技術、關鍵裝置的自主研發等相關建議。
前言
近年來，發達國家、高科技公司高度重視量子計算，制定長遠發展規劃並投入重要資源以推動技術發展。伴隨著量子計算技術的一系列標誌性進展，世界各國對量子計算的關注從學術界逐漸擴充套件到全社會。量子計算已經成為內涵豐富的技術領域，涉及內容從最前沿的數學、物理等基礎研究延伸到與諸多工程學科的交叉融合，再到高度工程化的應用技術開發，高速發展勢頭不減。因此，系統探究量子計算領域全貌極為困難，而深入瞭解其各個方面則幾乎不可能。立足量子計算顯著進步的歷史節點，對相應發展的歷史和現狀進行相對全面的梳理與總結，同時就領域未來發展進行思考和展望，既富有價值，也是更好推動我國量子計算領域發展的必然環節。
量子計算乃至更為廣泛的量子資訊領域，是基於量子力學原理髮展形成的一套關於資訊本質及其處理的概念和技術體系。量子計算思想及概念的形成經歷了相當長的時期。一些物理學家、數學家受不同動機驅動而開展的基礎研究，對量子計算發展起到過關鍵性的推動作用。至少在量子計算的發展早期，這一領域的基礎邏輯與摩爾定律失效、計算能力提升等並無密切關係；瞭解這一點有助於正確看待量子計算的歷史，也為如何推動未來發展提供了更深刻的視角。物理學家Feynman、數學家Manin都曾指出，由於量子疊加、量子糾纏的存在，經典計算無法對量子體系進行高效模擬；Feynman進一步提出了利用可控的量子計算機去高效模擬待研究量子體系的可能性。1994年，數學家Shor提出了大數質因數分解的Shor量子演算法；這是第一個具有明確目的且應用價值突出的量子演算法，對當今最優秀的公開金鑰方案之一 （RSA公開金鑰密碼） 構成了威脅。
早期的量子計算技術路線包括核磁共振、超導量子線路、半導體量子點、囚禁離子阱、冷原子等，研究者在這些平臺上先後實現了量子位元及其精確操控；在一些比較成熟的平臺上 （如核磁體共振） ，研究者甚至很快展示了小規模的量子演算法。然而，當時學術界對於量子計算的可行性依然有很多質疑，特別是能否有效克服退相干造成的量子資訊丟失。隨後，量子計算發展的里程碑是量子糾錯理論的建立。Shor和Steane獨立提出了量子糾錯碼概念，其基本原理和經典糾錯類似，都是基於冗餘編碼思想；基於量子糾錯碼，Shor提出了在含噪量子體系中構建容錯量子計算的框架。1997年，Kitaev發現了量子糾錯和拓撲物態之間的關係，指出後者受拓撲保護的簡併態可用作邏輯位元；Kitaev和Bravyi提出的表面編碼，成為第一個受拓撲保護的量子位元模型；2001年，Kitaev和Preskill等進一步指出，如果能夠實現低於1%的所謂容錯閾值，則可以用表面編碼進行量子糾錯，此即後來成為量子糾錯主流技術的表面糾錯碼。這一系列工作為實現可容錯量子計算確立了理論基礎。
自Feynman等提出量子計算的原始思想至今已有40多年，相應進展令人矚目；但不可否認的是，依然沒有實現量子計算的任何實際應用。關於量子計算應用，學術界普遍認為：量子計算並不能全面替代經典計算；量子計算本身具有很多的限制；原則上經典計算可以替代量子計算，二者區別主要在於效率的高低。合理估計，在實現可容錯通用量子計算之前的很長一段時間內，我們都處在“中等規模含噪聲量子” （NISQ） 時代；量子計算的主要用途是為基礎物理研究以及發展更為高階的量子操控技術提供一個平臺。儘管這種應用和研究者心目中的實用化量子計算相去甚遠，但仍具有鮮明的意義。因此，就目前理解的量子計算而言，量子體系模擬依舊是量子計算的主要用途。可以合理推測，在量子體系模擬的基礎上將會衍生出服務於藥物開發、新材料、農業等領域的量子計算技術，但應清楚認識到這些衍生應用是遙遠的可能性。
綜合而言，對於量子計算發展需有清晰的大局觀：前途一定光明，但道路必定曲折。一方面，應保持樂觀的態度：在非常基礎的層面上改變了我們世界觀的科學理論，其技術化應用必然也是革命性的；但另一方面，越是顛覆性的技術，越難在實用化前進行具體預期。量子計算和現有的資訊科技存在極大的不同，很難預言量子計算技術的長期影響；量子計算領域的進步不會是簡單的線性歷程，應儘量避免基於現有技術和進展的線性外推來預判其長遠發展。
量子計算的理論、演算法與應用
（一）理論與演算法
回顧40多年來的量子演算法發展歷史，大致可分為4個階段：① 1985—1992年，尋找示例型演算法以展示量子計算的優越性；② 1993—1994年，尋找實用性演算法以展示量子優越性；③ 1995年至今，尋找量子演算法以拓展量子計算的適用範圍；④ 2013年至今，開發面向NISQ時代量子處理器的量子演算法，尋求量子計算的實用化。
在Feynman提出量子模擬之後不久 （1985年） ，Deutsch將這一思想數學化地表達為量子圖靈機，進而提出了第一個量子演算法，展示了量子計算在簡單決策問題方面相比經典計算的優勢，與量子圖靈機等價的計算機可稱為為量子計算機；隨後Deutsch提出了在物理實現上更加可行的量子線路模型。1993年，Yao證明了量子線路模型與量子圖靈機的等價性，量子線路模型隨後成為通用量子計算機的標準模型。1993年，Bernstein和Vazirani提出了透過一次呼叫量子黑盒查詢二進位制串的演算法；更為重要的是，建立了量子計算複雜性理論，從理論上證明量子計算機在解決某些問題時比經典計算機更為高效。
1994年，Shor提出了量子傅立葉變換演算法和離散對數演算法，進而獲得質因數分解演算法。Shor質因數分解演算法是第一個具有實用價值、相比已知最優經典演算法具有指數加速效能的量子演算法，極大推動了學術界對量子計算研發的關注與投入。1995年Kitaev等提出的相位估計算法後成為許多量子演算法的關鍵組成部分。1996年，Grover提出了查詢演算法，可在無序集合查詢問題上獲得相較於經典計算的平方級加速效能。1996年，Lloyd參考Suzuki、Trotter等的工作，提出了局域哈密頓量模擬演算法，從而確立了量子化學模擬的基礎。2009年，Harrow、Hassidim和Lloyd提出了將相位估計應用於線性系統求解的HHL演算法。2011年，Panella和Martinelli等提出了量子神經網路。HHL演算法、量子神經網路明確了量子計算在人工智慧 （尤其是機器學習） 領域的應用前景。谷歌公司研究表明，量子機器學習是近期取得量子優越性的關鍵候選應用。2013年，哈佛大學研究團隊提出了變分量子特徵值求解演算法 （VQE） ，使得NISQ時代的量子處理器進行量子化學模擬成為可能。2016年，Farhi等基於VQE演算法提出了量子近似最佳化演算法 （QAOA） ，用於量子計算加速組合最佳化問題的求解。
上述演算法顯著擴充套件了量子計算機的應用範圍，使量子計算機在資料快速搜尋與排序、量子化學模擬、人工智慧與機器學習等諸多領域表現出可觀的潛力。尋求可在NISQ時代的量子處理器上執行、能夠解決實際問題的演算法，是當前量子計算領域的核心研究問題。
（二）潛在應用
量子化學模擬是量子計算重要的潛在應用之一。當前的計算化學方法所需資源隨著待研究系統的規模增大而呈指數增長。針對這一問題，研究者嘗試設計更高效的量子化學模擬演算法，如利用量子相位估計、VQE演算法來計算分子基態及其能量。VQE演算法所需的資源相對較少，具有一定的抗噪聲能力，將在NISQ時代發揮重要作用。當前的量子化學模擬研究聚焦於在實際量子硬體上模擬更大的分子體系，實現對氫化鈹、水等分子的模擬，在經典模擬器上對乙烯、氰化氫等分子的模擬是主要的成果。雖然這些成果展示了VQE演算法的普適性和可行性，但距離體現量子計算優越性尚有距離。後續，在提升量子計算硬體效能的同時，不斷改進演算法 （如設計更好的變分擬設、使用更合適的引數化和最佳化方法等） ，以發展出具有實用價值的量子化學模擬演算法。
QAOA演算法作為淺層的變分演算法，用於近似求解組合最佳化問題，適合在NISQ時代的量子硬體上執行。在QAOA提出之初的基本思路是將絕熱演化演算法離散化，之後QAOA與量子行走之間的聯絡獲得明確，從而更新了對QAOA的理解。除了處理組合最佳化問題，QAOA也應用於求解線性方程組、構建變分量子搜尋演算法等。研究者提出了一系列加速QAOA經典最佳化的方法，分為啟發式初始化、機器學習輔助最佳化兩類。此外，關於QAOA是否具有潛在的量子優勢以及其可訓練性，還需深入研究。
量子機器學習將機器學習與量子體系結合，研究內容分為經典機器學習在物理系統中的應用、基於量子神經網路的經典機器學習演算法設計及實現兩個方向。經典機器學習面臨的挑戰之一在於資料量、計算量逐漸逼近經典計算模式的極限，而量子體系或量子演算法具有完全不同於經典計算的學習正規化，因而傳統機器學習在量子體系中的實現為突破經典極限提供了可能性。相關研究成果包括量子主成分分析、量子、量子光學系統中深度學習網路的實現、量子生成對抗網路等。目前存在的問題突出表現在深度學習執行機制的有效理論闡釋缺失、量子計算潛力的探索及挖掘。
量子軟體和控制體系結構
量子軟體和控制體系結構是連線量子演算法與量子物理系統的“橋樑”，也是構成量子計算系統的關鍵環節。量子演算法用於設計量子計算機解決具體問題的流程，需使用量子程式設計語言來描述；經量子編譯器翻譯並最佳化，生成可在硬體上執行的底層格式程式，如量子彙編、二進位制與波形資料等。量子測控系統執行底層格式程式並生成相應訊號，實時控制量子位元，完成量子門操作及測量。量子控制體系結構指量子測控系統的組織方式及其軟硬體介面。
（一）量子軟體
量子程式設計語言研究始於1996年Knill提出的量子隨機訪問機器模型，後續基於該模型得到了量子程式的偽程式碼表示。計算機科學家研究了量子演算法的特點及執行要求，不斷完善量子程式設計的各種理論基礎，如量子程式的基本結構和語義規範、量子程式的形式化驗證、量子遞迴、反計算、量子 - 經典協同計算等。在量子程式設計理論的指導下，量子軟體工程穩步發展，催生出一系列量子程式設計語言。每一門量子語言都對應有量子編譯器，二者協同發展，逐步支援經典邏輯綜合、量子門分解、自動求逆、量子反計算、層次化的量子線路描述、量子 - 經典混合程式設計、基礎量子實驗表達能力等功能。
目前，生態環境良好的量子程式設計語言有Qiskit、Q#、PyQuil、PennyLane等。在編譯器方面，Qiskit轉譯器吸引了眾多開發者的反饋，不僅支援量子編譯的基礎功能 （如量子位元的對映與排程、量子門分解等） ，還支援面向特定領域的編譯最佳化 （如量子化學模擬） 。QCOR語言在支援量子 - 經典混合程式設計、多種前端 / 後端以及跨語言轉換方面富有特色。國內的量子程式設計語言有QPanda、Quingo、isQ等。在量子編譯器領域，使用多層次中間表示 （MLIR） 作為核心基礎設施方興未艾，Quingo、isQ語言均基於MLIR來開發編譯器。吸引更多的使用者和開發者、提供更豐富的庫及支援工具來構建量子軟體生態環境，是當前各種語言開展應用競爭的重點。
（二）量子控制體系結構
量子軟硬體介面旨在提供全面、靈活的軟體程式設計方式，進而支援量子應用在測控系統上的執行。量子測控系統的組織方式關注電子學裝置以可擴充套件的方式，根據量子軟硬體介面格式程式產生的模擬訊號來接受控制並測量量子位元，以必要的反饋控制來執行具體的量子應用。
以超導量子線路的測控系統為例說明量子控制體系結構。已有的超導量子測控系統可分為兩代。第一代主要由可直接生成和接收模擬微波訊號的裝置組成，系統易於實現，但因缺乏反饋控制而使可擴充套件性和程式設計能力受限。2017年，代爾夫特理工大學研究團隊提出了QuMA微體系結構，可實時生成時序精確的控制訊號，兼具可靈活程式設計的反饋控制能力和更好的可擴充套件性；這類基於定製數字邏輯 （尤其是使用指令集） 的量子測控硬體系統可稱為第二代量子測控系統。國際上主流的測量系統供應商均推出了第二代量子測控系統產品；國內企業啟動了第二代量子測控系統的研發。
量子控制體系結構當前面臨的主要挑戰在於，以極低的反饋延遲實現可程式設計的反饋控制，同時保證測控系統的可擴充套件性。量子軟體、量子控制體系結構理應緊密對接，而兩個方向的發展仍相對獨立，存在著能力不相匹配的現實問題；協調量子軟體與量子測控系統的發展以實現無縫對接，是量子計算機工程面臨的又一挑戰。
超導量子計算
超導量子計算路線的優勢在於：超導量子晶片的製備工藝與微納加工技術相容，具有較好的可擴充套件性；超導量子位元及相關器件的引數具有良好的設計自由度；超導量子線路的操控使用成熟的微波電子學技術，速度快、可操控性好。超導量子計算的實現方案主要是基於量子門的量子線路方案、量子退火方案：由於後者還沒有展示可信的量子加速效應，文中討論基於前者展開。
超導量子位元是由約瑟夫森結和其他超導元器件構成的非線性量子諧振電路，分為以電荷、相位、磁通等自由度編碼量子資訊的基本型別以及為數眾多的複合型別。當前的主流型別之一是Transmon及其變種，對環境電荷的漲落不敏感，具有較長的退相干時間；其他常見型別有磁通量子位元、Fluxonium、0-π位元等。
超導量子位元可透過多種方式與外部電路耦合，由此實現操控和測量。以Transmon為例，相應操控由外部驅動電路透過電容耦合到位元來實現；關於測量，一般將位元與諧振腔耦合，在大失諧條件下諧振腔的本徵頻率依賴於位元的狀態。對於與諧振腔耦合的共面波導傳輸線，利用色散讀取方法測量諧振腔的頻率，進而確定位元的狀態。構建多位元量子線路，需要可控的位元間耦合；平面結構的超導量子線路較為常見，位元之間一般透過電容或者電感方式耦合；近年的重要進展之一是提出並實現了可調耦合方案。此外，利用三維諧振腔來編碼量子資訊的超導量子線路，在實現靈活可調的位元耦合方面存在較大困難，這就給相關路線的可擴充套件性構成了挑戰。
2019年，谷歌公司研究團隊推出的Sycamore超導量子晶片包含了54個Xmon型別的超導量子位元，透過88個可調耦合器耦合構成了平面網格陣列，兩位元門的平均保真度達到99.4%；利用該晶片首次實驗展示了在量子隨機線路取樣問題上的量子優越性。2021年，中國科學技術大學研究團隊推出了包含66個位元的“祖沖之號”超導量子處理器，據此完成了更大規模、更深線路的量子優越性實驗。公司 （IBM） 在自建的量子云平臺上推出了含有127個位元的處理器。
除了整合度方面的進展之外，其他關鍵性指標也有顯著提升。採用鉭替代當前主流的鋁作為超導電路材料，將平面Transmon位元的退相干時間提升到300 μs；隨後北京量子科學研究院進一步最佳化到500 μs。麻省理工學院、IBM的研究團隊將兩位元門保真度提升到接近99.9%。作為通往可容錯量子計算的最關鍵步驟，量子糾錯實現方面取得了一定進展，如表面糾錯碼的可行性得到初步演示。
目前，超導量子計算領域競爭非常激烈。國際著名學術機構有：美國的耶魯大學、麻省理工學院、普林斯頓大學、芝加哥大學、加州大學伯克利分校、國家標準與技術研究院，歐洲的蘇黎世聯邦理工學院、代爾夫特大學、查爾姆斯理工大學等。包括谷歌公司、IBM、Rigetti計算有限公司在內的國際知名企業也很早開展研發。在我國，超導量子計算方面的代表性機構有：中國科學技術大學、南京大學、浙江大學、清華大學、北京量子科學研究院、中國科學院物理研究所、南方科技大學，、阿里巴巴集團、深圳市騰訊計算機系統有限公司、合肥本源量子計算科技有限責任公司等。
超導量子計算路線面臨的挑戰主要有三方面。① 主流的平面結構限制了位元之間的連線性，由於只能實現近鄰耦合而導致執行量子演算法時的極大額外開銷，需要改進連線性來精簡量子線路的深度。② 超導量子晶片的控制線的數量隨著位元數線性增加，但其平面屬性導致只能從晶片四周將控制線引入到晶片中央，這在擴充套件時使得控制線密度不斷增大，而串擾將更難抑制。多層晶片三維整合技術可以一定程度上緩解該問題，但在更高整合度情形下解決佈線和串擾問題極具挑戰性。③ 超導量子位元的退相干時間需要進一步提升，涉及從微觀機理出發，對材料、設計、工藝、測試環境進行全方位最佳化。就目前狀況作預判，有望在3~5年後實現一些小規模的實際應用；穩步推進量子糾錯研發，為在10年或更遠時間後實現容錯量子計算確立基礎。
分散式超導量子計算
積體電路晶片可透過縮小器件尺寸來提高整合度、降低功耗，而類似的策略對超導量子晶片不適用。這是因為，縮小超導量子位元會減小模體積，在增加能量密度以及電場與金屬介面缺陷耦合的同時，導致更強的退相干；當前超導量子晶片的大部分面積被控制線佔用，無法縮小尺寸來提升整合度。可以簡單估算，二維Transmon的典型尺寸是0.5 mm量級，在直徑為100 mm的晶圓上可整合的數目約為數萬個；進一步考慮控制線扇出、串擾等因素，可整合數目將降低到數千個。目前單晶片的整合度未達到上述極限，但未來要繼續擴充套件超導量子處理器，則不可避免地會將量子位元分佈在多個晶片上並以模組化方式擴充套件處理器的規模。
分散式超導量子計算需要在晶片之間建立起可靠的連線，常見的互聯通道是鈮鈦超導同軸線、鋁波導管。考慮耦合強度、通道長度，可採取的晶片之間的量子態傳輸方式有經由通道多模駐波模式中的一個進行傳輸、透過發射和接收微波飛行光子實現傳輸：前者方案較簡單，但受限於微波波長因而無法建立遠距離連線，目前在短距離構建模組化量子處理器方面已有一些探索；後者允許建立遠距離連線，但需要對微波光子進行賦形和抓取，相關技術首先在單晶片上取得進展，隨後完成了基於微波飛行光子的跨晶片量子態傳輸。2020年，Magnard等展示了跨製冷機的量子態傳輸，Zhong等則展示了跨晶片的多位元糾纏態傳輸。
目前，分散式超導量子計算受到多方關注。2020年，谷歌公司發表了量子計算機路線圖，計劃採用多晶片互聯方案來構建包含百萬量子位元的超導量子處理器。Rigetti計算有限公司也開展了利用晶片倒裝技術來整合多個晶片的研究。2021年，有研究團隊公佈了跨越30 m的多晶片連線計劃。分散式超導量子計算將朝著更多位元、更長通道的方向發展。
分散式超導量子計算還面臨著一些技術挑戰。① 跨晶片的通道連線損耗較大，主要源自晶片和微波線纜之間的連線以及插入的微波元器件和通道本身，需要提高連線和通道的質量並儘量減少中間元件。② 量子態傳輸的保真度，在不做後選擇的情況下公開報道的晶片間態傳輸保真度最高為91.1%，相比單晶片上兩位元門普遍達到的99%仍有差距。這些挑戰阻礙了分散式超導量子計算規模的繼續擴充套件，但也為後來者趕超提供了機會。
光量子計算
光量子系統具有抗退相干、單位元操縱簡單精確、提供分散式介面等優點，可以利用光子的多個自由度進行編碼，是重要的量子資訊處理系統之一。光量子計算可分為專用和通用的量子計算模型；根據編碼方式的不同也可分為離散變數和連續變數模型 （或二者的結合） 。這些不同的路徑都有望實現通用量子計算。
光量子計算的核心硬體包括量子光源、光量子線路、單光子探測器。量子光源用於製備特定初始態，常見型別有確定性的單光子源、壓縮真空態光源、糾纏光子對光源等。半導體量子點在鐳射的激發下會像原子一樣輻射單個光子，是實現確定性的可擴充套件單光子源的重要途徑。中國科學技術大學研究團隊2013年首創量子點脈衝共振激發技術，研製出了確定性偏振、高純度、高效率的單光子源；2018年實現了高全同性、高受激效率的參量下轉換糾纏光子對；2019年實現了高保真度、高效率、高全同性的雙光子糾纏源。2020年，研究者首次實現了片上高純度、高全同性、預報效率大於90%的光源。
早期的光量子計算主要基於自由空間的線性光學，實驗技術成熟，光子在晶體和自由空間中的損耗都很低，但此方案的可擴充套件性較差。大規模擴充套件的可行路徑是將光學元件整合到光晶片上，如將量子光源、線路、探測器全部整合在一個波導晶片。這類光晶片方案穩定性和可擴充套件性良好，但目前的效率還需提升。相關研究整體上處於起步階段。
關於光量子位元的測量，目前超導單光子探測器正在獲得越來越廣泛的應用。美國國家標準與技術研究院、代爾夫特大學、中國科學院上海微系統與資訊科技研究所等機構可以生產兼具高探測效率 （> 90%） 、高重複頻率 （> 150 MHz） 的超導奈米線單光子探測器。
光學量子計算的基本操作、各種量子演算法的簡單演示驗證均已實現。中國科學技術大學研究團隊構建了光量子計算原型機“九章”以及升級版的“九章2.0”，據此實現了量子優越性這一里程碑。2022年，Xanadu量子技術有限公司在時間編碼玻色取樣上實現了量子優越性驗證。
光量子計算路線當前最大的挑戰是如何實現確定性的兩位元糾纏門，大規模的糾纏態製備和線路操縱、高效率探測器的研製等也是亟待研究的難題。兩位元糾纏門的實現思路有兩種：基於線性光學，線上性光學的基礎上引入非線性。在大規模、可擴充套件的糾纏態製備方面，有望以量子點自旋為媒介，將輻射單光子製備到大規模糾纏態上。在近期，光量子計算的發展趨勢表現為：實現含噪聲、中等規模的量子計算應用；實現確定性兩位元糾纏門，解決通用光量子計算的瓶頸問題；製備大規模糾纏態；實現基於GKP態的容錯量子計算。
囚禁離子量子計算
囚禁離子系統是最早用於量子計算的物理系統，以囚禁在射頻電場中離子的超精細或塞曼能級作為量子位元載體，透過鐳射或微波進行相干操控。離子量子位元的頻率只由離子種類、外界磁場決定，因而相比超導、量子點等人造量子位元具有完美的全同性。囚禁在一個勢阱中的多個離子在庫倫斥力作用下會形成穩定的晶格結構，整個晶格的簡諧振動可作為阱中不同離子之間產生量子糾纏的媒介。囚禁離子系統具有全連線性，即系統中任意量子位元間都存在直接相互作用；處於不同阱中的離子還能以各自輻射的光子作為媒介來實現遠端糾纏。
囚禁離子系統的早期發展得益於成熟的原子 /分子光學實驗技術，並無明顯的技術瓶頸。當規模較小時，囚禁離子系統具有小時級的相干時間、極高的量子門保真度。然而，囚禁離子系統在規模化、系統穩定性方面尚存困難，如隨著同一勢阱中離子數目的增多，離子晶格會愈發不穩定，離子晶格的振動頻譜也趨於密集而難以利用。目前，解決這一問題的主流方案是“量子電荷耦合器件 （QCCD） 架構”，即利用電極在晶片上定義多個囚禁區域，每個區域包含少量離子；透過調製各電極的電壓，驅動離子在不同區域之間移動和交換。
QCCD架構的未來發展方向是，在片上整合控制電路、光波導、光探測器，實現系統的整合化和小型化；由於涉及晶片製備、晶片封裝、光波導製備、表面處理等多項技術整合，發展難度較大。
目前，構建包含數十至上百個離子的中小規模系統沒有原理性障礙，但需要解決以下技術性問題：① 光波導、電路、探測器等多器件整合型晶片阱的設計與製備；② 因離子的反常加熱率較高限制了門操作的保真度，需要發展低溫阱、晶片表面處理等技術來降低加熱率；③ 系統的真空、光學、訊號控制等部分的耦合度較高，不利於保持整體穩定性，需將各子系統進行模組化和小型化處理。
國外在離子阱方向的研究較為活躍，內容涉及整體系統的標準化與產品化、QCCD架構、晶片阱設計及製備、光波導與晶片阱的整合等。國內研究起步較晚，整體處於跟隨階段，研究機構有清華大學、國防科技大學、中國科學院武漢物理與數學研究所、中國科學技術大學、中國人民大學、南方科技大學、華為技術有限公司等。
矽基量子計算
矽基量子計算使用量子點中囚禁的單電子或空穴作為量子位元，透過電脈衝實現對位元的驅動和耦合。這一技術路線的優勢表現在：大部分工藝與傳統的金屬 - 氧化物 - 半導體 （MOS） 工藝相容，具有大規模擴充套件的潛力，在商業化階段將易於和半導體行業對接；位元相干時間長，門操作精度高；可進行全電學操控。矽基量子點的實現方式分為兩種。① 透過在門電極上載入電壓來囚禁單個電子或空穴，利用電極對其量子態進行操控；這種方式可實現位元間耦合的可靈活調節，但整合的門電極密度高，需要採用公共和懸浮電極等才能大規模生產。② 透過掃描隧道顯微鏡 （STM） 或離子束注入方式在矽襯底中摻雜原子並作為位元載體，然後利用MOS電極或STM直寫電極對摻雜原子的電子自旋進行操控；具有位元全同性高、易於擴充套件、電極密度低、相干時間長等優點，但加工難度大。
近年來，矽基量子計算研究進展迅速，多個研究團隊獨立實現了3~6個位元的整合；將量子門保真度提升到了容錯閾值之上，實現了電子自旋與超導微波腔的強耦合、基於微波光子的長程自旋耦合。最近發展的低溫整合 - 互補金氧半導體 （Cryo-CMOS） 量子測控技術，在與矽基位元結合後有望解決中大規模的讀取及控制問題；透過融合矽基量子晶片和經典CMOS低溫晶片，多個研究團隊實現了在1.1~4 K溫區執行良好的矽基熱位元。因此，矽基平臺是目前唯一可在4 K溫度條件下利用大規模整合半導體工藝實現經典 - 量子混合的體系。
矽基量子計算的發展挑戰有：單位元門所需元件佔據較大空間，應最佳化位元驅動方案；多量子位元的整合需在方案和技術層面需取得突破；在單原子量子計算方面進一步提升原子放置的精度和成功率以實現單原子陣列；在工藝水平進一步提升後，改善矽基襯底質量和介電層電噪聲以提高晶片成品率。
未來數年內矽基量子計算將迎來爆發，在追平超導量子計算的同時，展現可大規模整合、相容傳統半導體行業等優勢，因而研究競爭非常激烈。國際領先的研究機構有普林斯頓大學、東京大學、代爾夫特大學、新南威爾士大學等；微軟公司、英特爾公司等知名企業已開始前期的商業開發。在我國，公開報道的研究機構主要是中國科學技術大學、中國科學院微電子研究所、中國科學院物理研究所、北京量子資訊科學研究院、南方科技大學等。
其他類別的量子計算體系
（一）中性原子量子計算
中性原子量子計算使用鐳射冷卻和囚禁技術，實現光阱中的中性原子陣列；利用單個原子的內態能級編碼量子資訊，後透過微波或光學躍遷實現單位元操控；基於裡德堡阻塞效應或自旋交換碰撞，實現多位元操控並最終實現量子計算。中性原子體系的優點為：與環境耦合弱，相干時間長；相鄰原子間的距離在微米量級，易於實現對單位元的獨立操控，串擾低；量子位元連線靈活可變，可以任意操控和改變原子間距離、原子構型等，可擴充套件性良好。
在鹼金屬元素體系相關的研究中，2010年利用裡德堡阻塞效應首次實現了兩位元糾纏和受控非門；2016年實現了約50個單原子陣列的製備，將單位元門保真度提高到99.6% （達到容錯量子計算閾值） ；2020年以來實現了可程式設計、包含至少200個量子位元的量子處理器及其量子演算法與量子模擬演示。在鹼土金屬元素體系相關的研究中，目前兩位元糾纏保真度已提升至99.5%。
該領域的關鍵技術包括：量子暫存器的製備和擴充套件，任意量子位元的操控和定址，多量子位元的高保真度操控。預計短期內可實現：包含數千個量子位元的量子暫存器，保真度超過容錯量子計算閾值的多位元操控，基於數百個量子位元的複雜量子模擬，量子優越性演示。
（二）金剛石氮空位色心量子計算
金剛石氮空位 （NV） 色心量子計算指利用NV色心的電子自旋及金剛石中的碳13核自旋作為固態量子位元，可在室溫條件下實現量子資訊處理的一類技術路線。NV電子自旋作為量子位元，可由鐳射脈衝實現初始化和測量、基於微波脈衝的量子態翻轉，在室溫下具有長達毫秒量級的相干時間。
經過20多年發展，NV色心量子計算的技術體系 （從金剛石樣品器件設計及加工到核自旋探測、多位元操控） 均較為成熟。然而，在這一體系中實現可擴充套件的量子計算還有很多技術難題：實現整合化功能器件和陣列依賴高效可控的NV色心製備，還需有效抑制微納加工過程中引入的噪聲；隨著量子位元的增多，需發展精準的多位元操控技術以抑制彼此之間的串擾以及各種因素引起的誤差，才能不斷提升量子邏輯閘保真度。這些都是實現基於固態體系多節點糾纏網路的重要環節。
近10年來，我國研究團隊在此方向的綜合能力進步顯著，在部分細分方向上完成了較高水準、富有特色的工作；但整體來看，相比國際領先團隊還存在一定差距。
（三）核磁共振量子計算
核磁共振波譜學發展至今約有80年，在生命科學、物理、化學等領域催生了諸多應用，7個諾貝爾獎獲得者的研究與此相關。基於核磁共振的量子計算利用了半自旋的原子核作為量子位元，是最早實現Shor分解演算法、Grover搜尋演算法的實驗體系；目前達到了操控12個量子位元的能力。
在學術研究方面，滑鐵盧大學、斯圖加特大學、清華大學、中國科學技術大學、南方科技大學等高校均有活躍的研究團隊，在量子計算、量子模擬、量子機器學習等多方面取得了極具影響力的成果，如量子人臉識別、量子手寫體識別、量子多體局域化、12位元量子隨機線路模擬等。在產業化方面，清華大學、南方科技大學聯合團隊2017年推出了國際首個核磁共振4位元量子計算雲平臺；深圳量旋科技有限公司2019年推出了兩位元小型化核磁共振量子計算機。
核磁共振具有系綜特徵，儘管在可擴充套件方面具有困難，但依然是目前為數不多的能夠操控10個以上量子位元的實驗體系之一，因此被視為發展量子控制技術、探索量子機器學習前沿領域、深化量子產業的良好實驗平臺。另一個富有潛力的發展方向是核電共振，即將原子核注入到矽基材料中並利用電場進行操控，有望解決位元頻率擁擠、位元串擾等問題。
（四）自旋波量子計算
基於自旋波的量子計算是富有潛力的新型量子計算方案之一。自旋波是磁性材料中電子自旋的集體進動模式，其量子化準粒子稱為磁子，每個磁子攜帶1個約化普朗克常數的自旋角動量。磁子擁有較長的弛豫時間和良好的可操控性，可用於編碼量子資訊。
磁子學與量子資訊科學交叉形成了新的量子磁子學，涵蓋傳統自旋電子學、磁子學、量子光學、量子計算、量子資訊科學。基於磁子的量子位元在理論上得到證實，而利用磁子進行量子資訊處理還需實現與其他量子計算平臺的融合。磁子的輸運不涉及電荷移動，可透過磁性絕緣體進行長距離傳播，可顯著降低量子器件的能量耗散。
當前，有關自旋波量子計算的研究仍處於起步階段，實現思路主要有兩種：將自旋波和其他量子計算體系相結合，發展出新型的雜化量子資訊處理技術；直接利用磁子實現量子計算。第一種思路是當前研究的主流，尤其是將磁子與超導量子線路結合。透過結構設計來增強微波腔光子 - 磁子 - 超導量子位元之間的耦合作用，是極具挑戰性的問題。
（五）拓撲量子計算
發展量子計算技術面臨的最大挑戰是如何解決退相干帶來的誤差。與其他技術路線相比，拓撲量子計算被認為可在原理層面上解決這一問題。理論上只需少數幾個 （甚至1個） 拓撲量子位元即可構建1個邏輯位元；一旦實現拓撲量子位元，即可進入整合邏輯位元的時代，這將是量子計算發展的飛躍式進步。以微軟公司為代表，眾多研究團隊投身其中，試圖實現拓撲量子位元。
目前，用於探索拓撲量子計算的體系包括強自旋軌道耦合材料和s波超導體近鄰體系、拓撲絕緣體和s波超導體近鄰體系、鐵基超導體、本徵拓撲超導體。本方向的關鍵技術有量子材料生長、拓撲量子器件製備、拓撲態的量子輸運測量等，相關研究是實現應用突破的關鍵。
零偏壓電導峰曾經被作為判斷是否存在馬約拉納量子態的依據，但當前共識是這一依據並不可靠；如何實現滿足非阿貝爾統計的編織操作也是本方向亟待解決的核心問題。整體來看，拓撲量子計算尚處基礎研究階段。
關於我國量子計算技術發展的思考和建議
量子計算是挑戰人類極限科技能力的系統工程，涉及幾乎所有學科的極限水平技術的總整合，領域發展必定前途光明而道路曲折。量子計算機作為世紀系統工程，迫切需要不同學科領域、跨越專業的人才加強合作、聯合攻關、協同推進；尤其要避免跟風式、“小而全”的低水平重複建設，消除內部惡性競爭可能導致的重大資源浪費。同時，著眼於量子計算領域的中長期穩健發展，積極培育創新人才，持續性加強基礎研究，聚焦核心關鍵技術研發，走出一條符合國情、創造價值的中國量子計算發展之路。
（一）注重戰略規劃和佈局，保持大局觀
近年來，國家高度重視量子科技並將之列為優先發展的國家戰略，透過一系列舉措來加強規劃與佈局，籌劃成立量子資訊科學國家實驗室。這些舉措在宏觀層面為我國量子科技的中長期發展指明瞭方向、創造了環境。著眼於未來來我國量子科技研發佈局的廣度和深度，建議成立國家量子科技專業委員會，對我國量子科技的總體發展進行宏觀指導，同時為政府相關部門提供有關量子科技發展的諮詢服務與政策建議。
從事量子計算研發及政策制定的人員，都應對該領域的發展保持清晰的大局觀：量子計算前途光明，但發展道路必定曲折。這一觀點包含的兩層意思均不可偏廢：① 如果對於量子計算的潛在價值沒有清晰的認識，則不可能站在一定的高度去看待相關研發以及制定政策，容易滑向庸俗瑣碎化；② 如果對於發展道路的曲折沒有足夠的心理準備，則易出現盲目樂觀主義，導致急功近利、遇到困難不再堅持等問題。
當前學術界的主流觀點認為，實現可擴充套件的通用容錯量子計算不存在原則性困難，因而對此領域的長遠發展比較樂觀。但是，對於具有真正實用價值的量子計算機發展路線圖，學術界存在不同意見，普遍表現得相當謹慎。可以說，學術界對於量子計算的中長期發展是持有上述大局觀的。在產業界，一些頂尖的國際科技公司在量子計算領域的研究時間超過30年；儘管技術發展有起伏，但始終保持定力，這是握領域發展主導權的必要保障。
（二）建立創新人才制度，培養高水平隊伍
人才是高科技事業發展的核心元素。為保障我國量子計算領域的長期健康發展，需要提升人才隊伍的規模和質量。在近期，宜保持高階人才的引進力度，積極進行引進人才的服務配套工作，支援在新環境中迅速發揮作用，拓展良好的發展空間。長遠來看，解決我國量子計算發展的人才緊缺問題需要立足自主培養。量子計算研發是一個系統工程，對人才的需求具有多樣性。早期的量子計算研發偏重基礎研究；未來轉向大規模、實用化，需要越來越多的專業工程師。針對這種多樣化趨勢，建立合理的人才培養和評價機制極為必要。
在人才培養方面，需要關注具有數學和物理基礎、工程技術背景深厚的複合型人才，從而在傳統基礎研究領域、工程應用開發領域之間架起“橋樑”。複合型人才培養有多種途徑，如成立專門的量子科學與工程專業，透過合理的“產學研”體系引導現有人才分流。完善的“產學研”體系有助於形成學術界和產業界的良性互動，為各類人才的培養、流動、發展提供充分的機會與可能性。
合理的人才評價機制是保障量子計算領域長期健康發展的要素。鑑於量子計算對人才需求的多樣化，相應的人才評價機制也需保持靈活性。早期從事量子計算研發工作的主體是基礎研究相關人才，相應的評價機制以論文、專案及經費為主導標準，但很難為工程師類的人才提供穩定職位和上升通道。解決類似問題，還依賴完善的“產學研”體系以及合理靈活的人才評價標準。
（三）加強基礎研究，爭取更多原創突破
從歷史角度看，基於量子力學的技術應用開發尚處於初級階段。展望未來，很難精準預見當前的技術路線會遇到何種瓶頸。技術發展歷史中經常出現類似案例，即原則上可行的方案最終無法工程實用化，反而被其他原創性的突破所替代。因此，繼續加強基礎研究對於量子計算研發具有重要意義。
基礎研究的顯著特點是不可預見性，即不太可能事前預見會在什麼方向和課題上取得突破，不太可能事前規劃突破的時間進度表，不太可能預見某個突破在未來有何具體應用。為了營造良好的基礎研究氛圍，一是應避免那些不符合基礎研究規律的發展規劃和政策引導；越是具有原創性和突破性的研究，越容易出現在意料之外的方向。二是應避免單一僵化的人才考核模式。傳統的人才評價機制基於可考核的硬指標，曾經並且會繼續在我國科技事業中發揮作用，但應儘量避免此類評價體系應用過程中的簡單化和庸俗化。基礎研究的突破需要研究者長時間專注探索，加之可能還是非主流方向，很難保證有穩定的產出。過於強調可考核的硬指標，會激勵追逐熱點並導致急功近利行為；在極端情況下，甚至會變成對有志於坐“冷板凳”科研人員的懲罰，使其“無板凳可坐”。
建議努力創造寬鬆自由的量子計算研究環境，支援研究者追隨自己的興趣與品味去選擇方向及課題，進行自由的學術與應用探索；對基礎研究宜抱有“水到渠成”、一定程度上可遇不可求的態度，以立足長遠的姿態來爭取更多原創突破。
（四）加強核心技術和裝置研發，保證自主可控
相對於我國在科技領域總體上還落後於發達國家的現狀而言，我國在支撐科技領域發展的關鍵裝置與技術方面的差距更為明顯。也應清楚地認識到，這種現狀是由我國經濟社會發展的歷史以及當前的產業結構決定的，也是必須經歷的發展階段。深刻理解這一點有助於樹立解決關鍵裝置及技術落後問題的信心。
對於解決關鍵裝置和技術落後問題，需要關注以下方面。
加強必要的規劃和引導，避免完全交由市場和資本規律來主導。作為戰略性新興技術，量子計算發展離不開國家的戰略支撐；建立良好的政策環境，制定相關技術推進法案，支援部門協同和全生命週期的專業化管理，建立國家層面的跨部門協同管理機制。
關注研發定位與可持續性。建立良好的“產學研“體系，使相關研究成果有機會轉化成產品和應用技術；開展針對量子計算技術的立法與標準化，提高智慧財產權使用率，最大化發揮專利價值。
未來的量子計算研發活動會催生眾多關鍵裝置與技術的發展需求，應努力把握難得機遇。
本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2022年第4期作者為李曉巍、付祥、燕飛、鐘有鵬、陸朝陽、張君華、賀煜、尉石、魯大為、辛濤、陳濟雷、林本川、張振生、劉松陳、遠珍、俞大鵬。 來源： 量子計算研究現狀與未來發展[J].中國工程科學,2022,24(4):133-144.
注：本文內容呈現略有調整，若需可檢視原文。
