為實現(xiàn)量子計算，我們還需要做些什么

（文章來源：雷鋒網(wǎng)）

如何做一個量子計算機呢？有三個要求，首先要有量子比特；然后有一個高保真度的量子操作，所謂的量子操作，可以類比成經(jīng)典計算機里面的非門、與非門、或門這些基本的門操作；最后要執(zhí)行算法，就需要足夠多的量子比特進行運算。

這三個問題看起來簡單，但做起來卻不簡單。首先，什么材料可以作為量子比特？現(xiàn)在人類已經(jīng)挖掘出非常多的量子計算載體，包括超冷原子、離子阱、光子、超導量子比特，都可以用來做量子計算。這些體系有各自的優(yōu)缺點，目前還不知道哪一種體系一定能夠最終實現(xiàn)量子計算，但目前發(fā)展比較快的是超導量子比特和離子阱。

超導量子比特最重要的優(yōu)勢，在于其結(jié)構(gòu)類似于電路，能夠采用傳統(tǒng)的集成電路工藝幫助快速實現(xiàn)大規(guī)模量子比特系統(tǒng)制造。

這種技術近幾年發(fā)展特別快，借用IBM和谷歌的研究，從上面左圖可以看到超導量子比特退相干時間大概兩到三年就會翻一倍，現(xiàn)在整個量子比特的性能也比十年前好很多。在2005年，退相干時間還是1微秒的級別，現(xiàn)在量子比特退相干時間已經(jīng)有幾百微秒。比特數(shù)量增加也非?？?。

2019年谷歌發(fā)布了具有53個量子比特的芯片，其實在2017年的時候，谷歌已經(jīng)有72個比特的量子芯片，53對比72數(shù)量看起來沒有增加，其實復雜度比以前增加了很多。

某種程度上，53個量子比特能夠達到100多個比特的芯片級別。除了退相干時間和量子比特數(shù)量之外，超導量子比特門操作的保真度非常高，在2014年，已經(jīng)達到了99.4%，谷歌最新的量子芯片保真度會更高，可能有99.6%，超過了糾錯閾值?；剡^頭看，如何造一個量子計算機？首先我們要有量子比特，然后要有高保真度的量子操作，足夠多的量子系統(tǒng)。超導目前已經(jīng)大體能夠滿足這三個要求，此技術也達到了一個門檻。

量子芯片首先要有量子比特，有了量子比特，然后研究如何控制，隨后是讀取量子比特。在讀取和控制達到比較高的保真度之后，然后對量子系統(tǒng)做Quantum error Correction，也就是量子糾錯，此操作的主要目的是為了進一步提升量子系統(tǒng)操控的精度。

其實，超過99%的操控精度，不夠?qū)崿F(xiàn)量子算法的實際應用。但是科學家非常聰明，既然直接做出高保真度的門不容易，那為什么不使用很多個量子比特呢？所謂的量子糾錯就是借鑒經(jīng)典計算機糾錯概念，確保最后達成總的等效的量子操作，可以達到比較高的保真度。

在這個基礎上，可以依靠大量的量子比特達成非常高保真度的量子操作，用更多的量子比特實現(xiàn)有價值的量子算法落地，就到了Logical Quantum Processor，也就是邏輯層面的量子處理器。在邏輯層面需要突破的技術和物理層面的量子處理器一樣，需要控制和讀取，最后才能實現(xiàn)有價值的量子算法。

從最終的目標來看，要實現(xiàn)量子計算應用的落地，理論上大概需要達到100萬個量子比特，用這個數(shù)量做量子糾錯之后，會形成大約有1000多個邏輯量子比特的規(guī)模，如此規(guī)模足夠落地應用。

從數(shù)據(jù)上來看，單比特門需要達到99.99%的精度，雙比特門需要達到99.9%的精度，讀取也需要達到非常高的保真度。目前雙比特門已經(jīng)可以到99.4%，保真度已經(jīng)非常接近算法落地的目標。下一步重要的問題在于提高比特數(shù)量的同時，確保量子比特的門保真度不會下降，這也是當前學術界主要研究重點。

技術角度怎樣解決這兩個問題呢？先從超導量子比特角度，觀察超導電路轉(zhuǎn)化過程。上圖左邊是一張簡單的示意圖，線條可以認為是超導體的線條，電路的下面有一個圓環(huán)，圓環(huán)上面有兩個黃色的小方塊，這兩個小方塊叫約瑟夫森結(jié)，用它可以組成超導量子干涉器，叫SQUID。

讀取就是上圖黃色標記（Re-out），可以認為通過一根輸入線和一根輸出線，就可以讀取量子比特的狀態(tài)。單個比特很容易畫電路結(jié)構(gòu)，但如果有一排，只能借鑒印刷電路的結(jié)構(gòu)，通過設計一排的量子比特來進行量子計算的各個研究。

顯然一排的結(jié)構(gòu)不太適用于實際的應用需求，還需要二維的陣列結(jié)構(gòu)，但是二維的陣列結(jié)構(gòu)中量子比特的控制線以及讀取很難實現(xiàn)。這也是量子比特的數(shù)量提升會遇到瓶頸的原因。解決這個問題的基本思路是增加維度實現(xiàn)布線的可能性。2014年，谷歌已經(jīng)有了這個想法，通過借鑒傳統(tǒng)的半導體工藝（Flip-Chip的工藝，倒裝焊）把兩個芯片對接扣到一起，從而實現(xiàn)布線。上圖右上角是谷歌的Sycamore處理器，它是由兩個芯片貼合而成，上面的芯片就是比特，下面芯片就是布線。

谷歌通過這種方式實現(xiàn)了二維比特陣列的控制和讀取。此概念可以再進一步發(fā)展，不僅局限于兩個芯片，可以把很多層的芯片貼合到一起，這就是多層堆疊技術，麻省理工Lincoln Lab也已經(jīng)實現(xiàn)這項技術。所以，在這樣的技術突破基礎上，布線可能就不會成為阻礙比特數(shù)擴張的攔路虎。

另一個問題是如何提升比特門的操作精度。目前，比特門的操作精度受限于退相干時間，簡單來說，這個問題已經(jīng)轉(zhuǎn)換成如何在提升比特數(shù)量的同時，還能夠提升量子比特的相干時間。

根據(jù)研究，可以認為超導量子比特的退相干主要是受TLS影響，TLS就是兩級系統(tǒng)(Two level System)，超導量子芯片的襯底和表面可能有一些缺陷雜質(zhì)，能形成亞穩(wěn)態(tài)或者半能級系統(tǒng)，會干擾超導量子比特的運行。提升超導量子比特的退相干需要把缺陷雜質(zhì)去除，把超導量子芯片電路做得越干凈，退相干性能就會變得越好。

所以，從根源上來說，需要從材料和工藝兩個方面進行改進，從超導量子計算的發(fā)展來看，業(yè)界對材料做了非常多的創(chuàng)新和改進，兩到三年的時間增加了一倍的退相干時間。在超導量子比特剛剛出現(xiàn)時候，都沒意識到材料問題。因為超導量子比特出現(xiàn)非常晚，到目前為止，也就只有21年的歷史。今年是超導量子比特發(fā)現(xiàn)的第21年，它的退相干性能從小于一微秒，迅速提升到兩三百微秒，靠的就是材料和工藝的更新。

早期的量子比特用的都是非常傳統(tǒng)的材料，半導體經(jīng)常用到的材料也是量子比特的選擇，但是退相干性能比較差，小于一微秒。基于這個原因，研究人員當時對超導量子計算并不寄予厚望。所以，當時的想法是用來做基本的研究，研究量子力學的基本問題，如果拿它來做量子計算還是存在差距。2007年，研究人員換了一種電容結(jié)構(gòu)。谷歌提出了很多工藝的革新，包括設計上也做了一些更新。退相干時間迅速提升到百微秒的級別。

在今年，也有科學家發(fā)明了新的材料，比如鉭這種金屬可能把比特的退相干時間進一步提升到幾百微秒的量級。這對研究人員非常鼓舞，超導量子計算的發(fā)展時間雖然短，但是21年的發(fā)展期間，一直保持著非?？斓倪M步速度。目前新工藝、新材料也沒有達到瓶頸，比如可以用超高真空的封裝讓電路的表面更加干凈。

對于超導量子比特退相干時間的提升，研究人員比較樂觀，預期提升到毫秒的級別毫無問題。毫秒是什么樣的概念呢？意味著一個量子比特，單比特可以達到5個9（99.999%）的保真度，雙比特有可能可以達到4個9（99.99%）的保真度。根據(jù)目前已知的量子算法，真正產(chǎn)生實際應用價值還需要100萬個比特的規(guī)模，100萬個比特太過遙遠，至少十年才能實現(xiàn)這個目標，寄望于十年的技術突破，對行業(yè)發(fā)展非常不利。

于是研究人員考慮：100到1000個規(guī)模的量子芯片，能不能實現(xiàn)有價值的應用呢？上圖藍色2區(qū)域，在谷歌確定量子霸權的時候已經(jīng)實現(xiàn)，從2走到3可能是谷歌下一步要走的路。在2和3之間，谷歌定義為近期應用，主要目的就是在2和3的中間，嘗試去找有價值的應用。

人們經(jīng)常用上圖來對量子計算與經(jīng)典計算做比較，谷歌有時候也會炒概念，比如量子計算機挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的超級計算機。目前來說，傳統(tǒng)的超級計算機功能非常強大，遠遠強于我們目前所擁有的量子計算機的能力。從對抗的角度來看，量子計算機在十年之內(nèi)可能毫無希望。如果換一個角度考慮，量子計算的目的不是挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機的優(yōu)勢，而是協(xié)同。能否突破以前單純靠經(jīng)典計算機的困境，才是真正應該思考的方向。
（責任編輯：fqj）