1900年 Max Planck 提出“量子”概念，宣告了“量子”時(shí)代的誕生?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，微觀粒子有著與宏觀世界的物理客體完全不同的特性。宏觀世界的物理客體，要么是粒子，要么是波動(dòng)，它們遵從經(jīng)典物理學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而微觀世界的所有粒子卻同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性，它們顯然不遵從經(jīng)典物理學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。20世紀(jì)20年代，一批年輕的天才物理學(xué)家建立了支配著微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的新理論，這便是量子力學(xué)。近百年來(lái)，凡是量子力學(xué)預(yù)言的都被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，人們公認(rèn)，量子力學(xué)是人類迄今最成功的理論。

第二次量子革命

我們將物理世界分成兩類：凡是遵從經(jīng)典物理學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為經(jīng)典世界；而遵從量子力學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為量子世界。這兩個(gè)物理世界有著絕然不同的特性，經(jīng)典世界中物理客體每個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)和物理量都是確定的，而量子世界的物理客體的狀態(tài)和物理量都是不確定的。概率性是量子世界區(qū)別于經(jīng)典世界的本質(zhì)特征。量子力學(xué)的成功不僅體現(xiàn)在迄今量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學(xué)的現(xiàn)象，事實(shí)上，?正是量子力學(xué)催生了現(xiàn)代的信息技術(shù)，造就人類社會(huì)的繁榮昌盛。信息領(lǐng)域的核心技術(shù)是電腦和互聯(lián)網(wǎng)。

量子力學(xué)的能帶理論是晶體管運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，晶體管是各種各樣芯片的基本單元。光的量子輻射理論是激光誕生的基本原理，而正是該技術(shù)的發(fā)展才產(chǎn)生當(dāng)下無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)。然而，晶體管和激光器卻是經(jīng)典器件，因?yàn)樗鼈冏駨慕?jīng)典物理的運(yùn)行規(guī)律。因此，現(xiàn)在的信息技術(shù)本質(zhì)上是源于量子力學(xué)的經(jīng)典技術(shù)。

20世紀(jì)80年代，科學(xué)家將量子力學(xué)應(yīng)用到信息領(lǐng)域，從而誕生了量子信息技術(shù)，諸如量子計(jì)算機(jī)、量子密碼、量子傳感等。這些技術(shù)的運(yùn)行規(guī)律遵從量子力學(xué)，因此不僅其原理是量子力學(xué)，器件本身也遵從量子力學(xué)，這些器件應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等，因而其信息功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的經(jīng)典技術(shù)。量子信息技術(shù)突破了經(jīng)典技術(shù)的物理極限，開(kāi)辟了信息技術(shù)發(fā)展的新方向。一旦量子技術(shù)獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用，人類社會(huì)生產(chǎn)力將邁進(jìn)到新階段。因此，我們將量子信息的誕生稱為第二次量子革命，而基于量子力學(xué)研制出的經(jīng)典技術(shù)，稱之為第一次量子革命。量子信息技術(shù)就是未來(lái)人類社會(huì)的新一代技術(shù)。

量子網(wǎng)絡(luò)

量子信息技術(shù)最終的發(fā)展目標(biāo)就是研制成功量子網(wǎng)絡(luò)。量子網(wǎng)絡(luò)基本要素包括量子節(jié)點(diǎn)和量子信道。所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)量子糾纏相互連接，遠(yuǎn)程信道需要量子中繼。量子網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸和處理融合在一起，量子節(jié)點(diǎn)用于存儲(chǔ)和處理量子信息，量子信道用于各節(jié)點(diǎn)之間的量子信息傳送。與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比，量子網(wǎng)絡(luò)中信息的存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程更加安全，信息的處理更加高效，有著更加強(qiáng)大的信息功能。量子節(jié)點(diǎn)包括通用量子計(jì)算機(jī)、專用量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器和量子密鑰裝置等。應(yīng)用不同量子節(jié)點(diǎn)將構(gòu)成不同功能的量子網(wǎng)絡(luò)。

典型的有：

1、由通用量子計(jì)算機(jī)作為量子節(jié)點(diǎn)，將構(gòu)成量子云計(jì)算平臺(tái)，其運(yùn)算能力將強(qiáng)大無(wú)比；

2、使用專用量子計(jì)算機(jī)作為量子節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成分布式量子計(jì)算，其信息功能等同于通用量子計(jì)算機(jī)。亦即應(yīng)用這種方法可以從若干比特?cái)?shù)較少的量子節(jié)點(diǎn)采用糾纏通道連接起來(lái)，可以構(gòu)成等效的通用量子計(jì)算機(jī)；

3、量子節(jié)點(diǎn)是量子傳感器，所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是高精度的量子傳感網(wǎng)絡(luò)，也可以是量子同步時(shí)鐘；

4、量子節(jié)點(diǎn)是量子密鑰裝置，所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是量子密鑰分配(QKD)網(wǎng)絡(luò)，可以用于安全的量子保密通信。

當(dāng)然，單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)本身就是量子器件，也會(huì)有許多應(yīng)用場(chǎng)景，量子網(wǎng)絡(luò)就是這些量子器件的集成，其信息功能將得到巨大提升，應(yīng)用更廣泛。

上述的量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的遠(yuǎn)景，當(dāng)前距離這個(gè)遠(yuǎn)景的實(shí)現(xiàn)還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。不僅尚無(wú)哪種類型量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)演示成功，即使是單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)的量子器件也仍處于研制階段，距離實(shí)際的應(yīng)用仍有著很長(zhǎng)的路要走。即便是單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)研制成功，要將若干量子節(jié)點(diǎn)通過(guò)糾纏信道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)也極其困難——通常采用光纖作為量子信息傳輸?shù)耐ǖ?，量子?jié)點(diǎn)的量子信息必須能強(qiáng)耦合到光纖通信波長(zhǎng)的光子上，該光子到達(dá)下個(gè)量子節(jié)點(diǎn)處再?gòu)?qiáng)耦合到該節(jié)點(diǎn)工作波長(zhǎng)的量子比特上，任何節(jié)點(diǎn)之間最終均可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合、高保真度的相干操控，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的信息功能。目前，連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子界面仍然處于基礎(chǔ)研究階段。

至于遠(yuǎn)程的量子通道，必須有量子中繼才能實(shí)現(xiàn)，而量子中繼的研制又依賴于高速確定性糾纏光源和可實(shí)用性量子存儲(chǔ)器的研究，所有這些核心器件仍然處于基礎(chǔ)研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。因此整個(gè)量子信息技術(shù)領(lǐng)域仍然處于初期研究階段，實(shí)際應(yīng)用還有待時(shí)日。

那么，量子信息技術(shù)時(shí)代何時(shí)到來(lái)？量子計(jì)算機(jī)是量子信息技術(shù)中最有標(biāo)志性的顛覆性技術(shù)，只有當(dāng)通用量子計(jì)算機(jī)獲得廣泛實(shí)際應(yīng)用之時(shí)，我們才可斷言人類社會(huì)已進(jìn)入量子技術(shù)新時(shí)代。

量子計(jì)算機(jī)

經(jīng)典計(jì)算機(jī)按照摩爾定律迅速發(fā)展每18個(gè)月，其運(yùn)算速度翻一番

20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家卻提出“摩爾定律是否會(huì)終結(jié)”這個(gè)不受人歡迎的命題，并著手開(kāi)展研究。最后竟然得出結(jié)論：摩爾定律必定會(huì)終結(jié)。理由是，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度——即單位芯片面積的晶體管數(shù)目。但這個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)受到兩個(gè)主要物理限制：一是由于非可逆門操作會(huì)丟失大量比特，并轉(zhuǎn)化為熱量，最終會(huì)燒穿電子芯片，這也是當(dāng)下大型超算中心遇到的巨大能耗困難所在；二是終極的運(yùn)算單元是單電子晶體管，而單電子的量子效應(yīng)將影響芯片的正常工作，使計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度無(wú)法如預(yù)料的提高。

物理學(xué)家的研究結(jié)果并不影響當(dāng)時(shí)摩爾定律的運(yùn)行，多數(shù)學(xué)者甚至認(rèn)為物理學(xué)家是杞人憂天。然而物理學(xué)家并未停止腳步，著手研究第2個(gè)問(wèn)題：摩爾定律失效后，如何進(jìn)一步提高信息處理的速度——即后摩爾時(shí)代提高運(yùn)算速度的途徑是什么？研究結(jié)果誕生了“量子計(jì)算”的概念。

1982年美國(guó)物理學(xué)家Feynman指出，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行存在著本質(zhì)性困難，但如果可以構(gòu)造一種用量子體系為框架的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)量子模擬就容易得多。隨后英國(guó)物理學(xué)家Deutsch提出“量子圖靈機(jī)”概念，“量子圖靈機(jī)”可等效為量子電路模型。從此，“量子計(jì)算機(jī)”的研究便在學(xué)術(shù)界逐漸引起人們的關(guān)注。

1994年Shor提出了量子并行算法，證明量子計(jì)算可以求解“大數(shù)因子分解”難題，從而攻破廣泛使用的RSA公鑰體系，量子計(jì)算機(jī)才引起廣泛重視。Shor并行算法是量子計(jì)算領(lǐng)域的里程碑工作。進(jìn)入21世紀(jì)，學(xué)術(shù)界逐漸取得共識(shí)：摩爾定律必定會(huì)終結(jié)，因此，后摩爾時(shí)代的新技術(shù)便成為熱門研究課題，量子計(jì)算無(wú)疑是最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

量子計(jì)算應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有并行計(jì)算的能力，可以將某些在電子計(jì)算機(jī)上指數(shù)增長(zhǎng)復(fù)雜度的問(wèn)題變?yōu)槎囗?xiàng)式增長(zhǎng)復(fù)雜度，亦即電子計(jì)算機(jī)上某些難解的問(wèn)題在量子計(jì)算機(jī)上變成易解問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)為人類社會(huì)提供運(yùn)算能力強(qiáng)大無(wú)比的新的信息處理工具，因此稱之為未來(lái)的顛覆性技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同電子計(jì)算機(jī)相比，等同于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同算盤相比?？梢?jiàn)一旦量子計(jì)算得到廣泛應(yīng)用，人類社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都將會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。

量子計(jì)算的運(yùn)算單元稱為量子比特，它是0和1兩個(gè)狀態(tài)的疊加。量子疊加態(tài)是量子世界獨(dú)有的，因此，量子信息的制備、處理和探測(cè)等都必須遵從量子力學(xué)的運(yùn)行規(guī)律。量子計(jì)算機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1??量子計(jì)算機(jī)的工作原理

量子計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)一樣，用于解決某種數(shù)學(xué)問(wèn)題，因此它的輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出都是普通的數(shù)據(jù)。區(qū)別在于處理數(shù)據(jù)的方法本質(zhì)上不同。量子計(jì)算機(jī)將經(jīng)典數(shù)據(jù)制備在量子計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的初始量子態(tài)上，經(jīng)由幺正操作變成量子計(jì)算系統(tǒng)的末態(tài)，對(duì)末態(tài)實(shí)施量子測(cè)量，便輸出運(yùn)算結(jié)果。圖1中虛框內(nèi)都是按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的。圖中的幺正操作(U操作)是信息處理的核心，如何確定U操作呢？首先選擇適合于待求解問(wèn)題的量子算法，然后將該算法按照量子編程的原則轉(zhuǎn)換為控制量子芯片中量子比特的指令程序，從而實(shí)現(xiàn)了U操作的功能。量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過(guò)程如圖2所示。

圖2??量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過(guò)程

給定問(wèn)題及相關(guān)數(shù)據(jù)，科學(xué)家設(shè)計(jì)相應(yīng)的量子算法，進(jìn)而開(kāi)發(fā)量子軟件實(shí)現(xiàn)量子算法，然后進(jìn)行量子編程將算法思想轉(zhuǎn)化為量子計(jì)算機(jī)硬件能識(shí)別的一條條指令，這些指令隨后發(fā)送至量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)施對(duì)量子芯片系統(tǒng)的操控，操控結(jié)束后，量子測(cè)量的數(shù)據(jù)再反饋給量子控制系統(tǒng)，最終傳送到工作人員的電腦上。

圖3?單雙量子比特門

量子邏輯電路是用于實(shí)現(xiàn)U變換的操作，任何復(fù)雜的U操作都可以拆解為單量子比特門Ui和雙量子比特門Ujk的某種組合(即可拆解定理)，Ui和Ujk是最簡(jiǎn)單的普適邏輯門集。典型的單雙比特門如圖3所示。

基于量子圖靈機(jī)(量子邏輯電路)的量子計(jì)算稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算，現(xiàn)在還在研究的其他量子計(jì)算模型還有：?jiǎn)蜗蛄孔佑?jì)算、拓?fù)淞孔佑?jì)算和絕熱量子計(jì)算(量子退火算法)等。

量子計(jì)算機(jī)是宏觀尺度的量子器件，環(huán)境不可避免會(huì)導(dǎo)致量子相干性的消失(即消相干)，這是量子計(jì)算機(jī)研究的主要障礙。“量子編碼”用于克服環(huán)境的消相干，它增加信息的冗余度，用若干物理量子比特來(lái)編碼一個(gè)邏輯比特(信息處理的單元)。業(yè)已證明，采用起碼5個(gè)量子比特編碼、1個(gè)邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯(cuò)誤。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用存在另一類嚴(yán)重的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤來(lái)源于非理想的量子操作，包括門操作和編碼的操作?？茖W(xué)家提出容錯(cuò)編碼原理來(lái)糾正這類錯(cuò)誤，該原理指出，在所有量子操作都可能出錯(cuò)的情況下，仍然能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)糾正回理想的狀態(tài)。這涉及到“容錯(cuò)閾值定理”，即只有量子操作的出錯(cuò)率低于某個(gè)閾值，才能實(shí)現(xiàn)量子容錯(cuò)。容錯(cuò)閾值與量子計(jì)算的實(shí)際構(gòu)型有關(guān)，在一維或準(zhǔn)一維的模型中，容錯(cuò)的閾值為105，在二維情況(采用表面碼來(lái)編碼比特)，閾值為102。經(jīng)過(guò)科學(xué)家十多年的努力，現(xiàn)在離子阱和超導(dǎo)系統(tǒng)的單雙比特操作精度已經(jīng)達(dá)到這個(gè)閾值。這個(gè)進(jìn)展極大地刺激了人們對(duì)量子計(jì)算機(jī)研制的熱情，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)不再是遙不可及的。量子計(jì)算機(jī)的研制逐步走出實(shí)驗(yàn)室，成為國(guó)際上各大企業(yè)追逐的目標(biāo)。

編輯：黃飛

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