从概念到现实量子计算的发展历程和基本原理

　　1、量子计算概念原理
　　量子力学是一门研究基本粒子结构、性质，以及电子、原子、分子、凝聚态物质等现象的基础理论。20世纪，量子力学的诞生和发展引起了第一次量子科技革命，并孕育了以半导体和电子计算机为代表的现代信息技术，成为现代信息社会的物理层支撑技术。然而，经典信息技术发展已逐渐接近极限和边界，如摩尔定律、晶体管制程工艺极限、处理器集成度与能耗极限等，需要通过物理学领域的创新实现进一步的提升。
　　进入21世纪，随着量子调控技术的不断发展和成熟，如激光原子冷却、离子阱囚禁和单光子探测等，将为开发和利用量子力学中的叠加态、纠缠态和压缩态等独特物理现象提供前所未有的新颖物理基础，有望带来信息技术颠覆性创新和第二次量子科技革命浪潮。量子调控赋能信息技术，开启了以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术，将成为突破经典信息技术极限，拓展未来科学技术新疆域，推动信息技术和数字经济发展演进的新动能。
　　量子计算是一种遵循量子力学规律进行信息处理的计算模式。量子计算利用了量子世界的独特性质，如叠加性、非局域性和不可克隆性等，因此具有天然的并行计算能力。它可以将一些在电子计算机上呈指数增长复杂度的问题变为多项式增长复杂度问题，亦即将电子计算机上一些难解的问题在量子计算机上变为易解的问题。量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，能够在某些计算困难问题上提供指数级加速，是未来计算能力跨越式发展的重要方向。在业界的科研和应用探索中，基于量子比特的量子逻辑电路模型受到广泛关注，也是本报告分析讨论量子计算的主要对象。
　　量子计算的基础运算单元称为量子比特，与经典比特仅表征0或1一个状态不同，量子比特是0和1两个状态的叠加。量子信息的制备、处理和探测等都遵从量子力学的运行规律。量子计算机的工作原理示意如图 1所示。
　　量子计算机的工作原理
　　量子计算机通过将经典数据制备在量子计算机的初始量子态上，并经过一系列幺正操作（U操作）演化为末态，最后对末态进行量子测量来输出运算结果。在这个过程中，U操作是由适合于待求解问题的量子算法转换而来的控制指令程序，通过量子逻辑电路（量子门）实现。量子门是实现U操作的物理载体，可以通过单量子比特门和双量子比特门的组合实现任何复杂的U操作。通用量子计算机能够构造上述量子门族并运行这些量子逻辑电路，从而执行任何量子计算。
　　2、量子计算发展历程
　　在上世纪八十年代，量子计算的概念被提出，并逐渐引起学术界的关注。1980年，美国阿贡国家实验室的Paul Benioff发表了一篇论文，提出了图灵机或经典计算机的量子力学模型，首次证明了量子计算的可能性。随后，加州理工大学的Richard Feynman在1981年的演讲中指出，量子计算机具有模拟经典计算机无法模拟的物理现象的潜力。虽然当时物理学界还不知道如何构建量子计算机，但相关研究探索已成为一个前沿话题。1985年，英国牛津大学的David Deutsch在论文中提出了量子计算图灵机的框架，并描述了量子算法的前景，同时预言＂有一天，在技术上构建量子计算机将成为可能＂。
　　早期的量子计算研究中，量子算法是一个研究热点，为激励和促进对量子计算机的研究和开发起到了重要作用。1992年，Deutsch-Jozsa算法作为量子计算的首个算法被提出。该算法可以验证常函数与平衡函数问题，能够体现量子计算具有超越经典计算能力的优势。1994年，美国贝尔实验室的Peter Shor开发了一种用于质因数分解的量子算法——Shor算法。该算法可以指数级地加速质因数分解数学困难问题的求解，可以快速破解由RSA加密体制保护的通信系统，从而影响广泛使用RSA加密体制的信息网络的安全性。
　　Shor算法的提出极大地激发了学术界、产业界和管理部门对量子计算技术可行性、发展应用前景和未来影响的关注和讨论，也成为推动量子计算技术研究与样机研发快速发展的直接动力之一。1996年，贝尔实验室的Lov Grover发明了量子数据库搜索算法——Grover算法。该算法可以在无序搜索和查询等类型问题中，相对于经典搜索算法的多项式（平方）加速，具有广泛的应用前景，例如在信息处理和数据库搜索等方面。
　　在宏观量子系统中，有效地产生和保持量子态是量子计算技术的关键挑战。不利因素如环境噪声和制备测量误差等都会影响量子比特的完整性。为了解决这个问题，研究人员在上世纪90年代提出了基于量子纠错（QEC）的方法，以维持量子比特的完整性。这种技术在量子计算发展中具有关键作用，因为它可以帮助解决量子比特操作面临的各种错误和相干消失问题，确保计算结果的准确性和可靠性。在1995年，Shor提出了通过量子纠缠和编码的方式，保持量子比特状态的原理性方法，并在1998年，MIT的D. G. Cory等人首次实验实现了量子纠错编码验证。虽然量子纠错技术可以帮助保持量子比特的完整性，确保计算的可靠性，但在目前最高水平的量子计算机中，这种技术仍然面临极高的保真度要求，因此在实际应用中存在一定的难度。
　　David DiVincenzo在1996年提出了五个构建量子计算机的准则，这些准则为量子计算机的设计和实现提供了指导： 可扩展性：量子计算机是可扩展的，量子比特彼此不同且能够用希尔伯特空间准确表示。 可初始化：量子计算机应该具备将任意量子位状态初始化为确定状态的能力。 可保持量子态：量子计算机的量子比特应该能够保持其状态足够长的时间以进行下一个算子操作，不受外部影响影响。 可实现门操作：量子计算机应该能够对量子比特状态应用一系列算子，同时也能够实现量子比特之间的纠缠。 可测量读取：量子计算机应该能够对每个量子位进行测量，并确定其属于某个特定算子的哪个正交本征态。
　　从上世纪九十年代开始，量子计算机的硬件研究和发展逐步加速，并在过去几十年取得了一系列重要的进展。这些进展包括：
　　在1995年，奥地利因斯布鲁克大学的Cirac和Zoller提出了离子阱作为执行量子计算的物理系统方案。
　　1998年，美国IBM的Isaac Chuang等人创建了第一台可以执行计算的双量子比特量子计算机。
　　1999年，日本东京大学的Yasunobu Nakamura等人证明了超导电路可以用作量子比特。
　　2001年，Isaac Chuang等人实现了Shor算法在核磁共振（NMR）系统上数字15的因式分解演示实验。
　　2004年，中科大潘建伟团队首次展示了五光子纠缠。
　　2011年，加拿大D-Wave公司开始提供一种被称为量子退火炉的专用量子计算机。
　　2016年，IBM公司公布全球首个量子计算样机和云平台服务，搭载5位超导量子处理器。
　　在近年来，量子计算技术研究和样机研发不断取得突破性进展，各种技术路线的发展成就不断涌现。其中的代表性成就包括：在2019年，美国Google公司基于53位超导量子计算处理器Sycamore，首次在随机量子线路采样问题中，实验验证了量子计算具有远超过现有最高水平超算的处理能力。中科大实现了18位光量子纠缠操控。澳大利亚新南威尔士大学基于硅量子点芯片，实现了保真度99.96%的单比特门和98%的双比特门。这些成就显示出量子计算技术的巨大潜力，也证明了量子计算和经典计算之间的竞争正在加剧。
　　Google Sycamore超导量子计算处理器
　　在2020年，中科大利用76光子光学量子计算系统＂九章＂平台成功验证了量子计算在高斯玻色采样问题上的优越性，此外，澳大利亚SQC公司实现了硅量子点芯片双比特门的99.99%保真度，美国Honeywell实现了离子阱10位全连接物理比特的样机，而荷兰Delft理工实现了在1.1K环境下运行的硅量子点芯片系统。
　　中科大＂九章＂光量子计算系统
　　在2021年，IBM公司推出了127位超导量子计算机＂鹰＂平台，并向一部分用户开放了云平台。Google发布了量子计算路线图，预测到2029年实现百万位量子比特和可纠错量子计算。中科大报道了62位＂祖冲之＂超导量子计算机处理器的实验演示二维量子随机行走，并且66位处理器＂祖冲之＂二号验证了量子计算优越性，以更大的优势解决了与Google相同的随机量子线路采样问题。美国Honeywell公司提升了离子阱量子处理器至20位，IonQ公司宣称实现了32位比特离子阱样机。中科大报道＂九章＂2.0平台实现了113光子更高水平的高斯玻色采样量子计算优越性验证。
　　中科大＂祖冲之＂超导量子计算处理器
　　在2022年，加拿大Xanadu公司推出了Borealis可编程光量子计算机，该计算机能够合成216个压缩态光量子，用于高斯玻色采样问题的计算，并再次验证了量子计算的优越性。，如图 5所示。
　　Xanadu Borealis 光量子计算机
　　从历史到现在，量子计算经历了40年的发展，从理论和科学研究开始，逐渐转向工程和应用研究，涉及超导、离子阱、半导体量子点和光量子等多个技术路线。同时，量子计算的研究和开发也在量子纠错、量子算法、量子计算软件系统等方面同步进行。现在，量子计算已经形成了一体化的发展格局，涵盖了科学研究、样机研发、软件开发、应用探索和产业培育。
　　近年来，全球各国政府、科研机构、科技企业和初创企业的共同推动下，量子计算技术研究和样机研发的发展速度进一步加快。虽然量子计算已经取得了量子优越性证明的里程碑突破，但是在硬件、软件的系统工程化研发、应用探索和产业化发展等方面，仍然面临着众多需要研究、突破和探索的科学问题、技术瓶颈和发展不确定性。因此，未来量子计算技术和应用的发展需要长期的、艰苦的努力。