量子計算基本原理

量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力。普通計算機(jī)中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時存儲這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特數(shù)目的增加，對于n個量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加，配合量子力學(xué)演化的并行性，可以展現(xiàn)比傳統(tǒng)計算機(jī)更快的處理速度。

量子計算量子位

量子位（qubit）是量子計算的理論基石。在常規(guī)計算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的 1 個位來表示，它不是處于“ 0” 態(tài)就是處于“ 1” 態(tài). 在二進(jìn)制量子計算機(jī)中，信息單元稱為量子位，它除了處于“ 0” 態(tài)或“ 1” 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)（superposed state）。

疊加態(tài)是“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“ 0” 態(tài)又可以是“ 1” 態(tài)，“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)各以一定的概率同時存在. 通過測量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現(xiàn)出“ 0” 態(tài)或 “ 1” 態(tài).任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可用來實現(xiàn)量子位，例如氫原子中的電子的基態(tài)（ground state）和第 1 激發(fā)態(tài)（first excited state)、 質(zhì)子自旋在任意方向的 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。

一個量子系統(tǒng)包含若干粒子，這些粒子按照量子力學(xué)的規(guī)律運(yùn)動，稱此系統(tǒng)處于態(tài)空間的某種量子態(tài)。這里所說的態(tài)空間是指由多個本征態(tài)（eigenstate) （即基本的量子態(tài)）所張成的矢量空間，基本量子態(tài)簡稱基本態(tài)（basic state）或基矢（basic vector) . 態(tài)空間可用Hilbert 空間（線性復(fù)向量空間）來表述，即Hilbert 空間可以表述量子系統(tǒng)的各種可能的量子態(tài).為了便于表示和運(yùn)算，Dirac提出用符號|x〉 來表示量子態(tài)，|x〉 是一個列向量，稱為ket ；它的共軛轉(zhuǎn)置（conjugate t ranspose) 用〈x|表示，〈x|是一個行向量，稱為bra.一個量子位的疊加態(tài)可用二維Hilbert 空間（即二維復(fù)向量空間）的單位向量來描述。

量子計算疊加原理

把量子考慮成磁場中的電子。電子的旋轉(zhuǎn)可能與磁場一致，稱為上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者與磁場相反，稱為下旋狀態(tài)。如果我們能在消除外界影響的前提下，用一份能量脈沖能將下自旋態(tài)翻轉(zhuǎn)為上自旋態(tài)；那么，我們用一半的能量脈沖，將會把下自旋狀態(tài)制備到一種下自旋與上自旋疊加的狀態(tài)上（處在每種狀態(tài)上的幾率為二分之一）。對于n個量子比特而言，它可以承載2的n次方個狀態(tài)的疊加狀態(tài)。而量子計算機(jī)的操作過程被稱為幺正演化，幺正演化將保證每種可能的狀態(tài)都以并行的方式演化。這意味著量子計算機(jī)如果有500個量子比特，則量子計算的每一步會對2⁵⁰⁰種可能性同時做出了操作。2⁵⁰⁰是一個可怕的數(shù)，它比地球上已知的原子數(shù)還要多（這是真正的并行處理，當(dāng)今的經(jīng)典計算機(jī)，所謂的并行處理器仍然是一次只做一件事情）。

2016年歐盟宣布啟動11億美元的“量子旗艦”計劃；德國于2019年8月宣布了6.5億歐元的國家量子計劃；中美兩國也在量子科學(xué)和技術(shù)上投入數(shù)十億美元。這場競賽旨在建造出在某些任務(wù)上的表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)計算機(jī)的量子計算機(jī)。2019年10月，谷歌宣布一款執(zhí)行特定計算任務(wù)的量子處理器已實現(xiàn)這種量子霸權(quán)。

2019年12月6日，俄羅斯副總理馬克西姆·阿基莫夫于索契舉行的技術(shù)論壇上提出國家量子行動計劃，擬5年內(nèi)投資約7.9億美元，打造一臺實用的量子計算機(jī)，并希望在實用量子技術(shù)領(lǐng)域趕上其他國家。

量子計算概念提出

量子計算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國家實驗室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能階的量子系統(tǒng)可以用來仿真數(shù)字計算；稍后費(fèi)曼也對這個問題產(chǎn)生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學(xué)院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場演講，勾勒出以量子現(xiàn)象實現(xiàn)計算的愿景。1985年，牛津大學(xué)的D. Deutsch提出量子圖靈機(jī)（quantum Turing machine）的概念，量子計算才開始具備了數(shù)學(xué)的基本型式。然而上述的量子計算研究多半局限于探討計算的物理本質(zhì)，還停留在相當(dāng)抽象的層次，尚未進(jìn)一步跨入發(fā)展算法的階段。

量子計算中期發(fā)展

1994年，貝爾實驗室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P. Shor指出 [3]，相對于傳統(tǒng)電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內(nèi)將一個很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個結(jié)論開啟量子計算的一個新階段：有別于傳統(tǒng)計算法則的量子算法（quantum algorithm）確實有其實用性，絕非科學(xué)家口袋中的戲法。自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來，而物理學(xué)家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計算器，來執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名做為量子計算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子電動力學(xué)(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和操控精度等因素，離子阱與超導(dǎo)系統(tǒng)走在了其它物理系統(tǒng)的前面。

2019年8月，中國量子計算研究獲重要進(jìn)展：科學(xué)家領(lǐng)銜實現(xiàn)高性能單光子源。中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉與陸朝陽、霍永恒等人領(lǐng)銜，和多位國內(nèi)及德國、丹麥學(xué)者合作，在國際上首次提出一種新型理論方案，在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實現(xiàn)了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學(xué)量子計算機(jī)超越經(jīng)典計算機(jī)奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》日前發(fā)表了該成果，評價其“解決了一個長期存在的挑戰(zhàn)”。

2021年10月，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計算方面取得重要進(jìn)展，使中國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。

量子計算發(fā)展前景

量子計算將有可能使計算機(jī)的計算能力大大超過今天的計算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計算所存在重要的問題是，如何長時間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時又能夠在這個時間段之內(nèi)做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。

世界上第一臺商用量子計算機(jī)

加拿大量子計算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計算機(jī)“D-Wave One”，量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——“Yes,you can have one.”。其實早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺商用實用型量子計算機(jī)“Orion”（獵戶座），不過嚴(yán)格來說當(dāng)時那套系統(tǒng)還算不上真正意義的量子計算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決問題的特殊用途機(jī)器。

通用任務(wù)方面還遠(yuǎn)不是傳統(tǒng)硅處理器的對手，而且編程方面也需要重新學(xué)習(xí)。另外，為盡可能降低qubit的能級，需要利用低溫超導(dǎo)狀態(tài)下的鈮產(chǎn)生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對零度附近（20 mK）。

量子計算將有可能使計算機(jī)的計算能力大大超過今天的計算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計算所存在的一個問題是，提高所需量子裝置的準(zhǔn)確性有困難。

2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q，他們聲稱該系統(tǒng)由2000個qubit構(gòu)成，可以用于求解最優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)器學(xué)習(xí)、和采樣等問題。對于一些基準(zhǔn)問題測試，如最優(yōu)化問題和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的采樣問題，D-Wave 2000Q勝過當(dāng)前高度專業(yè)化的算法1000到10000倍。

D-Wave One量子計算機(jī)系統(tǒng)與D-Wave公司創(chuàng)始人兼CTO Geordie Rose

中科大首次研制出非局域量子模擬器

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子信息重點(diǎn)實驗室李傳鋒教授研究組首次研制出非局域量子模擬器，并且模擬了宇稱—時間（Parity-time, PT）世界中的超光速現(xiàn)象。

這一實驗充分展示了非局域量子模擬器在研究量子物理問題中的重要作用。

量子模擬器是解決特定問題的專用量子計算機(jī)，這一概念最早由費(fèi)曼于1981年提出。費(fèi)曼認(rèn)為自然界本質(zhì)上是遵循量子力學(xué)的，只有用遵循量子力學(xué)的裝置，才能更好地模擬它，這個力學(xué)裝置就是量子模擬器。量子模擬器研究中，人們更多關(guān)注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個量子模擬器所操控的量子比特數(shù)越多，它的運(yùn)算能力就越強(qiáng)。

華為首次曝光量子計算成果

2018年10月12日，華為公布了在量子計算領(lǐng)域的最新進(jìn)展：量子計算模擬器HiQ云服務(wù)平臺問世，平臺包括HiQ量子計算模擬器與基于模擬器開發(fā)的HiQ量子編程框架兩個部分，這是這家公司在量子計算基礎(chǔ)研究層面邁出的第一步。

百度推出百度量子平臺

2020年9月15日，“百度世界2020”大會在線上召開，百度研究院量子計算研究所所長段潤堯發(fā)布了百度量子平臺，展示了百度用量脈 量槳 量易伏賦能新基建、追逐“人人皆可量子”的愿景。他介紹，“百度全新發(fā)布國內(nèi)首個云原生量子計算平臺量易伏，并全面升級量子脈沖云計算服務(wù)系統(tǒng)量脈和量子機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)工具集量槳，通過構(gòu)建以百度量子平臺為核心的量子生態(tài)，開啟量子時代的大門?！?百度量子平臺提供了連接頂層解決方案和底層硬件基礎(chǔ)所需的大量軟件工具以及接口，百度希望這一平臺扮演量子計算時代操作系統(tǒng)的角色，開發(fā)者和合作伙伴可以通過這一平臺實現(xiàn)量子計算對行業(yè)的賦能。 2100433B

2000年，Knill，Laflamme和Milburn（KLM協(xié)議）證明，可以用光束分離器，移相器，光電探測器和單光子源來創(chuàng)建通用量子計算機(jī)。 在該協(xié)議中形成量子位的狀態(tài)是兩種模式的一個光子狀態(tài)，即兩種模式的占空比表示（Fock狀態(tài)）中的狀態(tài)|01>和|10>。 使用這些資源，可以實現(xiàn)任何單個量子位門和2-量子位概率門。 光束分離器是該方案中的重要組成部分，因為它是唯一產(chǎn)生Fock狀態(tài)之間的分束器。2100433B

五配位硅化合物增大的反應(yīng)性并沒有得到完整的解釋。科里于和他的同事提出五配位硅原子更高的電正性可能導(dǎo)致了它的反應(yīng)性增大。初步從頭計算在某些程度上支持這個假設(shè)，但也使用了一個小的假設(shè)作為基礎(chǔ) 。

迪特爾斯和他的同事使用從頭計算的軟件程序Gaussian 86來比較四配位的硅或磷化合物與它們的五配位類似物。這種量子化學(xué)從頭計算（英語：Ab initio quantum chemistry methods）方法被用于補(bǔ)充說明五配位化合物的親核反應(yīng)活潑性增加的原因。對硅來說，使用6-31 G*基組，因為五配位硅化合物是陰離子；對于磷，則使用6-31G*基組。

理論上五配位化合物比類似的四配位化合物親電性更弱，因為配體的空間位阻大和電子云密度高，然而實驗表明它們的親核反應(yīng)活性比四配位的類似物更強(qiáng)?？茖W(xué)家進(jìn)行了進(jìn)一步從頭計算來更深地理解這類四配位和五配位分子的反應(yīng)現(xiàn)象。不同系列的物質(zhì)按氟化程度分類。鍵長和電子密度的函數(shù)可以表示出中心原子連有氫負(fù)離子配體的數(shù)目。計算時，每增加一個氫原子就減少一個氟原子 。

科學(xué)家已經(jīng)通過這種從頭計算對于四配位和五配位的硅化合物和磷化合物的鍵長、電荷密度、馬利肯鍵重疊進(jìn)行了計算 。四配位硅化合物與氟離子的加合總共增加了0.1個元電荷，這被認(rèn)為是微不足道的?？偟膩碚f，三角雙錐形五配位化合物中的鍵長比類似的四配位化合物更長。Si-F鍵和Si-H鍵的鍵長均有所增加，五配位磷化合物的類似現(xiàn)象則較微弱。硅化合物比磷化合物有更顯著的鍵長增加，這是因為配體有效增加了磷的有效核電荷。