文/吳根1，資劍2，楊濤3，陳卓敏4
（1科技部高技術研究發(fā)展中心；2,4復旦大學；3西北大學）

       以量子計算為基礎的信息處理技術的發(fā)展，有望引發(fā)新的技術革命。本報告對量子計算領域中的超導量子計算、量子點量子計算、拓撲量子計算等熱點的研究現(xiàn)狀與趨勢進行了分析，并對我國今后在量子計算領域的研究重點，以及如何做到點、面兼顧的發(fā)展提出了對策建議。
一、關于量子計算技術
       量子計算是指利用糾纏的量子態(tài)作為信息載體，利用量子態(tài)的線性迭加原理進行信息并行計算的方案；量子計算對某些問題的處理能力大大超越經(jīng)典計算。
       量子計算機具有極高的并行計算能力，可以將經(jīng)典計算機幾乎不可能完成的某些計算難題，諸如大數(shù)分解、復雜路徑搜索等，在可接受的時間內予以解決。以量子計算為基礎的信息處理技術的發(fā)展有望引發(fā)新的技術革命，為密碼學、大數(shù)據(jù)和機器學習、人工智能、化學反應計算、材料設計、藥物合成等許多領域的研究，提供前所未有的強力手段，對未來社會的科技、經(jīng)濟、金融，以及國防安全等產(chǎn)生革命性的影響。在國際上，有人甚至將量子計算提到了“量子霸權”的高度。
二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
       1982年Richard Feynman提出利用量子計算機來模擬研究量子體系的想法。1985年David Deutsch提出了量子圖靈機的普適量子計算機模型。
       量子計算提出至今，實驗方面歷經(jīng)了從單個量子比特到約十個量子比特（不算D-Wave等的量子模擬或退火裝置）的發(fā)展過程。相對于最終做成實用化普適量子計算機的目標，目前仍然處于原理演示的探索性研究階段。但近年來在超導量子計算、量子點量子計算、拓撲量子計算等方案上所取得的進展，向人們展示了量子計算時代即將來臨的美好憧憬，引起了學術界、工業(yè)界和政府組織的高度重視。一些國家政府的大力推動和國際大公司的積極參與，成為了這一領域發(fā)展的風向標。
       1. 超導量子計算
       超導量子計算是目前最被看好的量子計算方案之一。1999年首次在超導器件中實現(xiàn)了量子相干演化以來，超導量子比特和量子電路的研究取得了快速的進展，已成為實現(xiàn)可擴展量子計算的一個優(yōu)選方案。
       電路從早期的單比特電路到雙比特電路，發(fā)展到現(xiàn)在的10個量級的多比特電路；單個超導量子比特的量子相干保持時間-退相干時間增加了6個數(shù)量級，可以實現(xiàn)103-104個操作；量子相干操控，從早期驗證超導量子比特電路中的量子特性、單比特或雙比特電路上量子計算所必須的各種量子操作，發(fā)展到在包含多比特的電路上，實現(xiàn)部分量子糾錯和進行一些量子算法的演示。相信在不遠的將來，專門設計的，包含幾十到一百個左右量子比特的超導電路，可以在特定的算法上演示超越經(jīng)典大型超級計算機的能力，實現(xiàn)所謂的“量子霸權（Quantum Supremacy）”。
       目前，超導量子計算技術及其科學問題的研究，不僅得到各國學術界的高度關注，某些國際大公司也已經(jīng)開始實質性地支持相關研究。
       最引人注目的是谷歌將目前實力最強的超導量子計算研究團隊—UCSB Martinis組納入其超導量子計算機研制計劃，以期實現(xiàn)量子霸權。谷歌還與哈佛大學、勞倫斯伯克利國家實驗室、塔夫茨大學、倫敦大學等眾多研究機構展開合作，期望在量子化學計算領域取得實質突破。
       半導體巨頭Intel公司，與荷蘭Delft大學Dicarlo研究組合作，將最先進的半導體技術結合到超導量子電路中，引人注目。
       IBM公司和NIST合作，最近在網(wǎng)上推出5個超導量子比特的“云量子計算”平臺供研究人員使用。
       歐盟啟動了高達10億歐元量子計算研究計劃，以使歐洲“在量子計算研究中處于領先地位”，提出了“第二次量子革命”的口號，超導量子計算也是其中一個重要部分。
       日本NEC的實驗室最早實現(xiàn)超導器件量子相干演化， Riken/NEC和NTT以及東京大學的研究團隊，在超導量子比特研究中也做出過顯著的成果。
       加拿大的D-wave公司已經(jīng)推出基于退火算法的，宣稱是超導量子計算機的產(chǎn)品。雖然業(yè)界對其能否具有量子加速效應持否定的態(tài)度，但是這樣一個初創(chuàng)小公司在十年左右的時間推出可以進行快速計算的產(chǎn)品，也說明了超導技術的優(yōu)勢。
       2. 量子點量子計算
       半導體量子點量子計算是另一個被看好的發(fā)展方向。這個方向上的先驅研究團隊是原哈佛大學（現(xiàn)哥本哈根）的Charles Marcus、荷蘭代爾夫特理工大學的Lieven Vandersypen，日本東京大學/RIKEN的Seigo Tarucha等的研究組。
       相當長的一段時間內半導體量子計算的量子比特數(shù)停留在幾個比特的水平上，但基于高純硅材料和成熟半導體工藝技術，有望發(fā)展出可規(guī)?；陌雽w量子芯片。英特爾公司于2015年宣布資助荷蘭代爾夫特理工大學QuTech量子研究所，從事硅量子點自旋量子計算等方面的研究并取得進展。
       3. 拓撲量子計算
       拓撲量子計算是目前國際上量子計算領域公認的幾個主要方案之一。拓撲量子計算是在量子系統(tǒng)整體拓撲性質的保護下，通過非阿貝爾任意子的編織操作，實現(xiàn)對量子信息的存儲和處理，有望從根本上解決因環(huán)境噪聲導致的量子態(tài)退相干等問題。
       拓撲量子計算的概念于上世紀末提出。由于拓撲量子計算基礎理論的重要性和可行性，一些理論先驅者獲得了狄拉克獎章、巴克利獎等多個國際學術界重要獎項。
       拓撲量子計算的關鍵是尋找遵從非阿貝爾統(tǒng)計的任意子，并構建拓撲物理系統(tǒng)。我國以及美國、歐洲、日本等國家的頂尖研究機構，已經(jīng)對此進行了大量的理論和實驗研究，提出了多種可能的實現(xiàn)方案。這些方案包括分數(shù)量子霍爾系統(tǒng)、內秉拓撲超導體、半導體與超導的復合系統(tǒng)、量子自旋液體等。
       原貝爾實驗室和微軟公司一直在推動拓撲量子計算的研究，后者還專門為此成立了研究機構Station-Q。最初探索的重點是利用二維電子氣的5/2等分數(shù)量子霍爾態(tài)開展拓撲量子計算。但實驗進展一直停留在驗證5/2分數(shù)量子霍爾態(tài)的準粒子激發(fā)是否有效電荷為e/4、是否滿足非阿貝爾統(tǒng)計等問題上。由于從事這方面的研究門檻太高，對二維電子氣材料質量和測量條件的要求太過苛刻，國際上能夠開展這方面研究的實驗組并不多。近年研究表明，在具有強自旋軌道耦合的半導體納米線或薄膜、拓撲絕緣體、量子反?；魻栃到y(tǒng)等體系中，通過超導近鄰效應都有可能得到拓撲超導態(tài)， 從而實現(xiàn)具備非阿貝爾統(tǒng)計的馬約拉納準粒子這種任意子。正是這些方案的提出大大拓展了拓撲量子計算實現(xiàn)的可能途徑，是目前量子計算關注的焦點之一。
       近年來，荷蘭、丹麥、瑞典和美國等國家，在具有強自旋軌道耦合的半導體納米線、拓撲絕緣體和鐵原子鏈中，觀察到馬約拉納零能模存在的實驗證據(jù)，使得這個領域進入白熱化。我國若干研究組在拓撲材料、半導體納米線和磁通芯中觀察到了馬約拉納零能模。
       由于拓撲量子計算的重要性和近年來實驗方面的快速進展，西方發(fā)達國家近期對相關研究給予了巨額資助。荷蘭投入了超過1億歐元的研究經(jīng)費，美國也啟動了名為“馬約拉納工廠”的巨型研究項目。微軟公司自本世紀初持續(xù)資助拓撲量子計算方面的研究，從最初的分數(shù)霍爾態(tài)到現(xiàn)在的半導體與超導的復合系統(tǒng)，都在大力推動。2016年11月，他們宣布在拓撲量子計算上的投資加倍，聯(lián)合荷蘭、丹麥、瑞士、澳大利亞等國家的研究組擴展微軟的研究機構Station Q，大力推進拓撲量子計算機的研制。
       從目前的發(fā)展趨勢看，拓撲量子計算仍然處在初期階段，研究基礎有待成熟，有望在隨后的幾年內取得突破性進展。符合非阿貝爾統(tǒng)計馬約拉納零能模，已經(jīng)在多個系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，眾多研究組正在尋求對其進行操控和調制，一旦成功，將實現(xiàn)第一個拓撲量子比特。由于其受拓撲保護的特性和可擴展性，其成功將大大推動拓撲量子計算機的實現(xiàn)。
三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平
       我國研究團隊在量子計算的一些領域做出了有國際影響力的工作。中國科學技術大學的研究人員利用核磁共振量子計算的4個量子比特，演示了至今最大的143的因子分解，用光學量子計算演示了15的分解和求解線性方程組，還成功制備了3個量子比特的半導體量子芯片。
       隨著量子比特數(shù)的增加，中國科學技術大學、中科院物理所、浙江大學等在合作研究實現(xiàn)更大數(shù)字因子分解舒爾算法。在金剛石氮空位中心系統(tǒng)，中國科學技術大學、中科院物理所、清華大學都分別演示了簡易型Deutch算法，量子克隆和幾何邏輯門操作等量子計算基礎操作，以及基于動力學退耦的量子態(tài)保護。
       在超導量子計算方面，2010年之前由于受器件微納加工和極低溫測量等研究條件的限制，國內實驗研究進展相對緩慢。近年來，隨著投入的加大，特別是在科技部量子調控與量子信息重點專項，以及高校985項目的支持下，已有多個研究所和高校建立了較好的研究平臺。浙江大學、中科大上海研究院與中科院物理研究所緊密合作，在超導多比特集成系統(tǒng)方面，自行設計、制備并且高精度、高相干性測控了包含五和十比特的超導量子芯片，并首次利用超導芯片進行了HHL量子算法的初步演示；南京大學利用超導比特及其中的TLS首次演示了三比特糾纏，率先在超導量子比特中實驗實現(xiàn)了幾何相的Landau-Zener干涉，并進行了量子相變KZ機制模擬；清華大學首先利用超導cQED系統(tǒng)，演示了量子Bernoulli工廠；北京計算科學中心、清華大學針對超導cQED系統(tǒng)開展了系統(tǒng)研究，實驗上首先顯示了量子電磁透明和Autler-Townes劈裂的區(qū)別和過渡，以及超強耦合系統(tǒng)中多光子邊帶的觀察等；浙江大學、福州大學利用超導多比特器件，演示了量子延遲選擇實驗等；中科院物理所在超導比特系統(tǒng)中，首次演示了非（弱）耦合量子態(tài)之間利用受激拉曼通道的相干演化和量子相位擴散等物理過程。
       在拓撲量子計算方面，北京大學團隊是國際上最早在半導體納米線與超導的復合系統(tǒng)中，觀察到馬約拉納零能模的跡象的研究組之一，最早在InAs/GaSb二維拓撲絕緣體中開展相互作用下的邊緣態(tài)研究；中科院物理所最早在三維拓撲絕緣體與超導結合的復合納米器件中，觀察到了馬約拉納束縛態(tài)跡象，率先演示了基于拓撲材料的第一個相位敏感的拓撲量子器件；清華大學在世界上首次實現(xiàn)了量子反?；魻栃?，在基于量子反常霍爾效應、超導異質結構的拓撲量子計算實現(xiàn)方面占據(jù)了先機；上海交通大學、清華大學、南京大學在三維拓撲絕緣體、超導異質結構中，實現(xiàn)了超導近鄰效應，獲得了馬約拉納零能模存在的關鍵證據(jù)。這些工作在國際上被公認是推動拓撲超導量子態(tài)和馬約拉納零能模的奠基性成果之一。
四、我國進一步發(fā)展重點及對策建議
       雖然在量子計算領域的個別點上，我國的科研機構已經(jīng)取得了一些研究成果，具有一定的國際地位，但我們應該意識到我國與美國及歐洲主要國家之間，仍然存在差距。就超導量子計算而言，僅實驗人員的體量方面，把國內各單位做超導量子計算的研究隊伍都加起來，可能僅相當于Google、UCSB一個團隊的體量。
       量子計算的實驗研究是典型的高門檻研究，需要用到高質量的量子材料和器件、非常精細的微納加工條件、超凈的實驗環(huán)境和極其靈敏的量子測控技術。國內整體上研究基礎還比較薄弱。
       當前量子計算研究國際競爭激烈、大公司紛紛投入，在個別領域出現(xiàn)跨越式發(fā)展的趨勢，但總體上仍然處于探索性研究階段，哪一個方案是最優(yōu)方案還沒有塵埃落定。我們一方面要高度關注那些目前看來非常有競爭力的方案，另一方面要保持一個相對寬廣的研究面，支持不同方案的自由探索和相互競爭，做到點、面兼顧。
       超導量子電路是眾多實現(xiàn)規(guī)?；孔佑嬎惴桨钢校容^具有優(yōu)勢的一個方案。國際上的研究顯示，利用超導器件，有可能在不遠的將來，演示量子技術在計算方面的優(yōu)勢。雖然要實現(xiàn)通用超導量子計算機還有很長的路要走，但是針對專門問題的專用超導量子計算機或超導量子模擬機，很有可能在短時間內出現(xiàn)，并付諸實際應用。一旦獲得突破，將使我們對信息的計算和處理能力，進入一個目前技術所不能達到的全新領域，將會對信息技術、人工智能技術、材料設計、藥物設計等方面的發(fā)展起到革命性推動作用。這將是一個很可能會產(chǎn)生顛覆性技術的方向，將會對國家社會經(jīng)濟發(fā)展和國家安全產(chǎn)生重要影響。
       面對國際上快速發(fā)展的勢頭，我國應該在超導量子計算的相關領域加大投入，加強布局，應對新的挑戰(zhàn)。研發(fā)的中長期目標是能夠針對專門問題，進行計算或模擬包含數(shù)十個到100個超導量子比特的專用超導量子電路系統(tǒng)，力爭早日實現(xiàn)“量子霸權”。
       拓撲量子計算目前還處于基礎研究階段，由于其獨特的優(yōu)勢，一旦取得突破性進展，將大大加速量子計算機的建造。我們需要加強拓撲量子器件的研制與調控、新型拓撲量子材料的探索、拓撲量子計算技術的發(fā)展和拓撲量子計算理論的構建等。
       在這些重點方向中，我們的目標與任務是探索更實用的新材料。結合已有的固態(tài)系統(tǒng)，利用微納加工、極低溫等技術手段，制備并研究拓撲量子原型器件。利用非阿貝爾任意子的編制操作，制備拓撲量子比特，最終做到集成化并實現(xiàn)拓撲量子計算。

【注】本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領域發(fā)展熱點跟蹤研究”（編號：ZLY2015072）研究成果之一。
本文特約編輯：姜念云