【专题研究】量子计算技术的主要研究方向

2015-04-05 战略前沿技术

量子计算技术，主要是要发展精确的量子逻辑门操作和纠错、容错实验和量子模拟技术，构造足够复杂的相干量子计算实验体系，并开展适用的量子计算模型和算法研究，并把成熟的实验体系集成，构建量子计算机。根据《中国至2050年信息科技发展路线图》，其主要研究内容包括：研究基于新材料、新结构的量子处理器，特别是具有扩展潜力的体系；量子编码的实验研究；研制由少数量子比特构成的“量子准处理器”；研究量子信息存储单元的扩展和互联；研究量子仿真的原理和方案；研究相关的支撑技术；量子计算理论的基础研究，包括各种新型的计算模型；量子计算机的结构研究；量子算法研究。


总体来讲，量子计算机研究主要围绕量子计算理论研究和量子计算物理实现两大部分，重点研究量子信息论、量子算法、量子编码、量子计算模型与架构以及离子阱、量子点、超导、腔量子电动力学、核磁共振、光学等量子计算的物理实现体系。此外，量子纠缠理论、量子纠错与纯化、多方纠缠与应用、容错计算理论及实现技术、量子计算器件的集成技术、经典计算机和量子化的结合技术（如存储器、运算器等的量子化）等也是研究热点。

（一）量子计算理论研究

目前，量子计算理论研究越来越深入，作为量子计算物理实现的基础和动力，推动了量子计算的快速发展。

1、量子信息论

量子信息论主要研究量子纠缠理论、量子态叠加和相干性原理、量子态不可克隆定理等量子信息基础理论。量子纠缠是量子信息处理过程中的重要资源，也是量子力学与经典力学本质区别的一个重要特征，在量子信息领域具有特殊地位。最近的研究表明，包含经典和量子两部分的关联可能比纠缠更广泛、更基础，纠缠只是作为一种特殊的量子关联存在。量子态不可克隆是量子力学的固有特性，它设定了一个不可逾越的界限，禁止对任意量子态实行精确的复制。量子态叠加性和相干性是量子并行计算的基础，在各种量子信息过程中都起着至关重要的作用。

2、量子算法

量子算法是利用量子并行性进行有效量子计算的关键（主要不靠器件速度与集成度），是量子计算机最强大的应用程序之一，在量子计算机发展中有着至关重要的作用，过去十余年量子计算技术的发展主要得益于快速量子算法的发现。现有的量子算法主要包括Shor算法、Grover算法、Simon算法、Deutsch-Josza算法（D-J算法）、Bernstein和Vazirani算法等。其中，最著名的是Shor大数分解算法和Grover的量子搜索算法。目前，探索新的明显有效于经典计算算法的量子算法已经成为量子计算理论研究的一个重要研究方向。

3、量子编码

量子编码主要用于解决可靠性、纠错、避错、防错问题，是迄今发现的克服量子计算机物理实现面临的最大障碍——消相干问题最有效的方法，是量子计算理论研究中非常重要的方向。量子编码针对特殊的噪声模型，量子信息可以编码在一个特殊的吗空间中，噪声对这个空间中的状态不会产生任何影响。现有的量子编码有两种类型：量子纠错码和量子避错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。目前，人们几乎找到了所有经典编码的量子对应，正在致力于寻找具有更高编码效率的量子纠错码方法。除了构造新型量子码之外，量子码的纠错译码和容错机制也是重要的研究课题。

4、量子计算模型与架构

量子计算模型与架构是实现量子计算机的构想和思路，除普适量子计算模型外，主要包括拓扑量子计算、绝热量子计算、单向量子计算、门或电路模型等方面。门或电路模型通过同时在一些量子位上的一系列初等幺正变换实现计算；拓扑量子计算利用特殊系统不受小扰动影响的拓扑量子性质来构造量子计算机，通过相互之间弯曲的任意子的激发来实现鲁棒的量子操作，实现容错量子计；单向量子计算通过预纠缠集群状态上的1位测量序列实现计算，在理论上建立一种高度纠缠的状态（称为图态），通过对相邻的几个qubit进行LOCC过程，测量结束后可以等效地实现对出发端的qubit的普适逻辑门操作；绝热量子计算核心思想是利用绝热演化的特性来等效地实现量子幺正变化，通过平滑变换哈密顿函数来驱使系统演化到特定的状态实现量子计算，其抗退相干能力十分突出，具有很强的容错能力，因此有着重要的应用前景。

（二）量子计算物理实现

目前，量子计算机的实现已不存在原理上的问题，未来量子计算技术突破将主要依赖于量子计算的物理实现。寻找量子信息的适当载体、探索量子计算的物理实现体系成为当前量子计算技术研究的重点。可行的量子计算实现体系需要满足Divincenzo判据，包括具有可扩展性、可初始化、可读出、相干时间长、可构造普适量子逻辑门、可网络化等。根据DARPA的量子信息科学技术路线图和《欧洲量子信息处理与通信研究现状、远景与目标战略报告》，现在确定的主要物理实现系统有量子点、超导量子电路、离子阱体系、腔量子电动力学体系、光学体系、液态核磁共振、固态量子计算等，此外还有十多种潜在量子计算的物理实现方案。研究人员目前正努力寻找能实现量子计算的物理系统，目前的研究主流集中在下列两个方面：（1）固态量子计算，包括超导系统、量子点系统；（2）基于量子光学的量子计算，包括离子阱、腔QED系统、光学系统、光子晶格和光学晶格束缚冷原子体系等。

1、离子阱体系

离子阱（Ion Trap）体系是最早尝试实现量子计算的物理体系，主要利用离子势阱，将其束缚在特定区域，对其进行量子操控，实现量子计算。其优点是相干时间长，外界影响小。原则上，该体系满足所有Divincenzo准则，并且准则的大部分已经得到实验验证。目前，离子阱体系主要的研究集中在提高量子操控的单元技术、以达到容错计算的要求，以及如何扩展该体系、实现多位的量子信息过程两个方面。针对线性离子阱在可集成性上的困难，人们还设计了新型的、具有可集成性的离子阱方案：多元离子阱方案、晶格离子阱方案和基于光子中介的离子阱方案。目前，各离子阱方案正不断完善，向着可集成的离子阱计算稳步迈进。

2、量子点体系

量子点(Quantum Dots)体系的方案可以充分利用现有的半导体工艺，其优点是扩展性好。量子点的原子性质可以通过纳米加工技术和晶体生长技术来调控，比一般的量子体系更容易集成，这是量子点作为量子信息载体被长远看好的原因。量子点体系充分利用量子点可以人为制造这种特性，通过研究量子点的物理特性，如激子或者电子自旋的寿命、电声子耦合、消相干、量子点之间的耦合等，来寻找合适的量子信息物理载体，实现量子比特的制备、存储、读取，单比特的旋转、比特间的受控操作，以至于能扩展到几个比特，实现简单的量子计算方案，并最终实现量子计算机。目前半导体量子点作为可集成的量子芯片的几个基本条件，如量子比特的制备、量子逻辑门操作、量子测量和量子相干性都已经在实验中成功实现。

3、超导约瑟芬结体系

超导量子计算基于约瑟芬结（Josephson-Junction）超导器件，能够很好地展现宏观量子效应和量子相干行为，具有较强的可扩展性，是目前最有希望实现实用化量子计算的方法之一。目前实验上已实现的超导量子比特包括超导电荷量子比特、超导磁通量子比特和超导位相量子比特这三大类。研究影响超导量子比特相干时间的各个因素，找到增加相干时间的方法，是目前超导量子计算研究工作的重点。超导量子计算研究的进展使得人们看到实现实用的、可规模化量子计算的曙光。但是尚需在制备工艺、电路设计、系统设计等多方面加以探索，提高器件和电路以及系统设计的水平，提升抗干扰能力，易于操纵和测量，以期达到实用的大规模量子计算的水平。尽管基于超导量子比特的量子计算还有很长的路要走，但按目前技术水平制备的超导量子比特已具备足够好的相干性，可以用来进行一些量子模拟实验，并可以在宏观尺度上验证量子力学原理。

4、腔量子电动力学体系

腔量子电动力学（Cavity QED）被认为是实现量子计算机最有前景的物理体系之一。腔QED主要思想是将俘获的原子约束在高品质腔中，把量子信息储存在原子能态上，囚禁的原子作为量子信息存储器，光腔用来进行量子门操作和量子信息的传输，因此，可以利用腔QED方案进行原子纠缠态的制备、原子的隐形传态、量子门操作等量子信息处理。近年来，人们已经发展了包括微波腔中的Rydberg原子、高精细度光学腔中的中性原子（离子）以及半导体量子点、超导量子节点、原子系统等多种实际系统。目前，人们相继实现了从单量子比特的制备、读取到双量子比特逻辑操作、多比特量子操控、量子相位门等。

5、核磁共振体系

在实现量子计算的诸多物理方案中，核磁共振（NMR）技术是当前最现实的研究手段。核磁共振方案具有相干时间长、技术成熟的优势。其主要研究方向包括液相NMR量子计算和固体NMR量子计算。NMR量子计算的实验进展包括以下几个方面：精确相干和消相干控制、多种量子算法的原理性演示、抑制消相干的理论方法的实验演示、量子系统的模拟、纠缠动力学和量子通信原理性演示等等。NMR量子计算的实验研究将为其他量子体系实现量子计算提供技术和经验上的积累，有可能成为在其他体系实现量子计算的技术源泉。

6、光学体系

光学量子计算（OQC）是基于测量的量子计算方案，利用光子的偏振或其他自由度作为量子比特，以常用的量子光学手段进行操控，具有相干时间长、操控手段简单、与光纤和集成光学技术的相容性，以及简单的资源可扩展性等优点。光学量子计算根据其物理架构分为两种：KLM光学量子计算以及团簇态光学量子计算。KLM光学量子计算仅使用单光子、线性光学和测量，允许通过和可扩展光学量子计算，目前已经实现了光子-光子之间的两量子位的逻辑操作。团簇态光学量子计算由一个高度纠缠的成为团簇态的多粒子态组成，与单量子测量和前馈相结合，实现可扩展的通用量子计算，具有降低整体复杂性和放宽测量过程的物理需求，以及物理资源的更有效利用等技术优势。