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本文刊登于《网信军民融合》杂志2019年7月刊
【编者按】6月15日，在第二届“强网论坛”主论坛上，郭光灿院士作了题为《量子计算机的研究进展》的主题报告。郭院士指出，量子计算机是量子信息领域最具颠覆性的技术，也是难度最大的技术。他从量子计算机的特点、与电子计算机的区别、目前的研究进展和未来发展等方面进行了深入介绍。本文由《网信军民融合》杂志根据现场演讲整理。
量子计算机的研究进展
郭光灿院士
郭光灿院士
量子计算机是量子信息领域最具颠覆性的技术，也是难度最大的技术。大家很关注它的研究进展，这就是本文要阐述的主要内容。
一、量子计算机的特点
量子计算机和电子计算机最大的区别在于：量子计算机是并行运算模式，电子计算机是串行运算模式。量子计算机的优点是可以提高数据处理的速度。在下列几个方面有着应用优势：一是可以改变某些问题的计算复杂度。如果一个问题在电子计算机是 NP 问题，比如大数分成两个素数，电子计算机是难以计算的。量子计算机可以将其变为 P 问题，很容易计算。当然，目前的量子算法没法证明所有电子计算机的NP 问题都可以变成 P 问题。二是对于电子计算机上的 P 问题，量子计算机有加速运算的功能。比如说搜寻问题，在电子计算机上需要运算 N 次，而量子计算机只要N的开方次。搜寻问题是我们经常用的问题，这个可以在很多方面发挥作用。三是模拟计算问题，比如说制造药物，需要先在计算机上模拟，看哪一种药效更好，这涉及到多体系统的模拟，电子计算机需指数上升的时间，而在量子计算机上进行模拟，就是 P问题。所以，量子计算机出现以后，在药物制备方面就可以以极快速度进行筛选。
量子计算机同电子计算机的功能一样，都是用来解数学问题，不同的是，量子计算机用的是量子芯片，采用并行运算模式。电子计算机用的是电子芯片，采用串行运算模式。所以，量子计算机处理数据的速度更快。量子计算要算一个函数，需要找到合适的量子算法进行编程，用这个程序控制量子计算机，让它按人们的需要运行，最后把问题计算出来。这就是量子计算大概的构成。
二、量子计算机的研究进展
量子计算机的实现涉及到很多方面的问题，包括硬件问题（如量子芯片、操控系统、量子测量等）、软件问题（如量子算法、量子编码、量子系统结构等）以及量子材料等。就量子材料而言，用于制备量子芯片的材料必须是特殊材料，要量子相干时间长、操作快。现在还没有这种材料，如果有了这种材料，量子计算机就可以实现通用计算。
量子计算机要求非常高，需要的量子比特非常多，所以很多体系演示一个、两个或者十个、八个可以，最终做到集成，若演示成千上亿个就很难。现在研究的多是固态的超导、半导体，它的集成性好，但是有一个缺点，量子相干性非常差，因为固态很复杂，在周围环境的作用下其相干性就消失了，量子的优点也就没了。由于找不到合适的物理体系可以做量子芯片，长期人们对量子计算机体系实现没有信心。最近量子点的相干时间达到 200 微秒，使人们又重拾对研制量子计算机的热情。我国起步比较晚，2001 年才开始做，目前已经做到三个量子比特，正在做 4 个量子比特。国际上，虽然现在超导做得比较好，但超导量子相干性非常差，科学家们花了13 年的时间把它提高了 5 万倍，达到 100 微妙，加快了量子计算的步伐。这就是最近几年超导量子计算机发展的原因。
美国政府 2016 年宣布在 5 年之内要做几十个量子比特、供科学家研究的量子计算机。美国休斯实验室都在搞量子计算，而且不是遥遥无期，已经很有可能了。欧洲《量子宣言》指出，打算 15 年内把可以实际用的通用量子计算机或者至少把样机做出来。现在量子计算机发展势头良好，在半导体量子计算机方面，美国军方、澳大利亚已经做到两个量子比特。
近期，IBM 公司的量子计算机已经研制出来了，是可以独立的量子计算机。它把所有操作系统和所有的软件都放进去了，所以可以移动，可以当商品卖，是第一台可以实际移动的量子计算机。但是这台机器只有 20 个量子比特，所以它的功能比较差，能力有限。可以看出，量子计算机正处在从晶体管到集成电路过渡发展的阶段。其实，一个真正实用的通用量子计算机的物理量子比特要达到上千万位，相干时间要足够长，还要能够抵抗各种各样的干扰，能采用量子容错技术。可以看出，这两个指标是连在一块的，都非常难达到。这就是为什么通用量子计算机离我们还非常远的一个困难所在。要判断一个量子计算任务能不能完成，有一个参数称为 Q 值，它是相干时间与操作时间的比值，即可以有效操作的次数。如果某个问题所需要的操作步骤不高于Q 值，就可以拿这台机器完成这个任务，如果不够，就必须提高 Q 值。如果它处理某一些问题的能力能够超过电子计算机最高速度能力，即它的运算处理问题的速度超过了现在所有运算，这叫量子霸权。量子霸权的实现，仍然是专用机，因为它不可以解决所有问题，它只能解决在相干时间里能完成的那类问题，但是量子霸权做出来以后，还是很有用途的。
三、量子计算机的未来发展
未来，量子计算机的发展可以分为量子计算器、专用量子计算器和通用机三个阶段。第一阶段叫量子计算器。这种计算机的比特数不要求太多，功能也不用太强，应用不必太全面，但是需要五脏俱全，而且确实是按照量子力学运行规律的数据处理器。第二阶段是量子霸权，大概 100 个比特数，暂时不考虑它的纠错容错，只要能解决某一类问题，这类问题可以在相干时间内完成，所以也叫专用量子计算器。因为我们要来解决很多实际的问题，比如说具体的一个项目，需要加快运算速度，这个任务可以用量子霸权来做。最后一个阶段就是能够纠错容错而比特数又足够多，能把所有问题都解决了，这叫通用机。这个不会很快实现。一旦到霸权阶段，我认为可以把它当成一个器件。现在的量子计算器不卖，但都知道它有多大用处，可以放到网上，让全世界都可以上网运用它的计算器。
目前量子计算机研究还需要解决两方面难题。一是量子计算机是人造量子系统，在宏观环境下量子相干性会自动消失，从而丧失其量子信息功能。二是人类采用经典工具去操控量子器件的状态和演化，这种操控能力目前还很差，有待提高。
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