中国再次实现量子计算优越性，全方位回顾量子计算的发展

　　F UTURE  | 远见
　　闵青云 选编
　　2021年6月28日，中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院（以下简称「量子创新研究院」）潘建伟、朱晓波研究团队成功研制的66比特可编程超导量子计算原型机「祖冲之二号」利用其中的56比特完成了「量子计算优越性」实验(也叫「量子霸权」)。
　　使用目前最高效的两类经典模拟算法—— 张量网络算法(单振福算法) 和 费曼-薛定谔算法(全振幅算法) 进行评估，「祖冲之二号」采样任务的经典模拟复杂度比谷歌「悬铃木」高2到3个量级。如果使用「Summit」超级计算机对谷歌「悬铃木」的量子优越性实验进行经典模拟采样需要耗费16天，而对「祖冲之二号」的量子优越性实验进行经典模拟采样则需要耗费8年。
　　论文链接：
　　https://arxiv.org/abs/2106.14734
　　2019年，国际专家在 《量子信息和量子技术白皮书(合肥宣言)》 中对量子计算的三个发展阶段达成了共识： 第一个阶段是实现量子计算优越性 ，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典计算机，需要相干操纵至少50个量子比特。
　　第二个阶段是 实现具有应用价值的专用量子模拟系统 ，相干操纵数百个量子比特，在实际问题上超越经典计算机。
　　第三个阶段是 实现可编程的通用量子计算机 ，相干操纵至少数百万个量子比特。
　　而在2020年12月，中国科大潘建伟、陆朝阳研究团队研制的「九章」光量子计算机率先完成了高斯玻色取样任务的「量子计算优越性」。随着祖冲之二号也完成「量子计算优越性」， 中国成为全球唯一一个在两个技术路线上完成「量子计算优越性」的国家。
　　量子计算优越性，也叫量子霸权，这是人类通往通用容错量子计算机的第一个里程碑，只有完成量子计算优越性，才能在实验上证明量子计算机在某些方面具备超越经典计算机的能力。
　　在此节点，我们从量子芯片、测控系统、云平台、软件等四个方面全方位回顾量子计算机的发展，并对未来进行展望。
　　量子芯片：从一个量子比特到一百万个
　　量子计算硬件发展历程
　　1981年，理查德·费曼首次提出用量子计算模拟量子物理系统的想法。1985年，英国物理学家David Deutsch将费曼的思想具体化，他发表了一篇描述通用量子计算机的论文，证明了如果可以通过一组简单的操作使二态系统演化，那么，任何物理过程原则上都能很好的被量子计算机模拟。这些操作被称为量子门，因为它们的功能类似于经典计算机中的二进制逻辑门。
　　Deutsch提出了量子并行计算，而这种并行能力来自量子力学中的叠加和纠缠效应。
　　经典计算机中的比特可以是1或0，但量子计算机中的量子比特可以是|0〉或|1〉或这两种状态的线性叠加。由于纠缠的存在，量子计算的计算能力呈指数级增长。N个经典比特一次表示的状态只有1种，N个纠缠在一起的量子比特一次表示的状态为2N。当N=250时，将比宇宙中所有原子的数目还要多。
　　经典比特与量子比特
　　1994年，Shor算法的提出证明了在分解质因数的任务中，量子计算相比经典计算有指数级加速。为了能够运行Shor算法，物理学家提出各种量子计算的物理实现方法。包括光量子、离子阱、拓扑、核磁共振（NMR）、硅自旋和超导等。
　　最新取得突破的是NMR方案。1998年，牛津大学、IBM、加州大学伯克利分校、斯坦福大学和麻省理工学院率先实现了2个NMR量子比特。
　　2006年，滑铁卢量子计算研究所、Perimeter理论物理研究所和麻省理工学院的研究人员将NMR量子比特增加到12个。NMR量子比特的优点是易操控且相干时间长，但是量子比特之间很难形成纠缠，限制了NMR成为主流量子计算技术的可能性。
　　2006年后，超导技术引领了量子计算硬件的发展。日本NEC研究所最早在1999年证明超导电路可以用作量子比特。这种量子比特是一种由约瑟夫森结以及一定的电容或电感共同组成的电路。约瑟夫森结是由两块超导体中间夹一层非常薄的绝缘层构成的结型器件，可以形成约瑟夫森效应，这是一种宏观量子现象。
　　IBM超导量子比特中的约瑟夫森结
　　超导量子计算机的优点是基于量子电路，使用类似半导体芯片的制备工艺，在大规模扩展上有巨大优势，同时扩展性较好，因此超导是商业公司最为关注的技术路线。
　　基于门的超导量子计算机，最近五年进入高速发展期。
　　2016年，IBM发布了一个5比特超导量子处理器，并上线云平台。
　　2018年，中国科大潘建伟、朱晓波团队实现了12个超导量子比特的纠缠，并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。
　　2019年，谷歌设计了「悬铃木」处理器，首次完成「量子计算优越性」实验，在随机量子电路采样问题上超越了经典超级计算机。
　　悬铃木处理器（X表示量子比特，蓝色方块表示可调耦合器）
　　量子计算机的发展，几乎全程由美国主导，但是最近半年， 中国实现了一个又一个里程碑式的成果，连续两次完成了「量子计算优越性」。 这一刻，中国成为全球唯一一个在两个技术路线上完成「量子计算优越性」的国家。
　　需要指出的是，「量子计算优越性」只是站上了量子计算的第一个台阶，还有更多挑战等着我们去面对。
　　最近，谷歌发布了量子计算硬件路线图，也大致分为三个发展阶段：第一个阶段是超越经典计算机，谷歌已在2019年完成。
　　第二个阶段是实现1000个物理量子比特或1个逻辑量子比特。
　　第三个阶段是实现通用容错量子计算机，至少需要100万个物理量子比特。
　　目前站上量子计算第一个台阶的，只有谷歌的「悬铃木」和中国科大的「九章」和「祖冲之二号」。
　　量子计算的三个阶段
　　测控系统：保证量子芯片性能的最大化
　　在超导量子计算机中，量子比特是由超导约瑟夫森结振荡电路实现的。对于超导量子比特的控制，是通过微波信号来实现的。在超导量子比特上施加的量子逻辑门操作，对应于耦合到超导电路中的特定频率、相位以及波形的微波信号。
　　这些微波信号是由量子线路程序编译后产生的量子中间表示控制量子测控系统产生，并通过微波线缆传输到量子芯片上，引起超导量子比特的响应并产生量子态的受控演化，从而实现量子程序的执行。
　　在这里，量子测控系统起到了对量子芯片进行控制、处理、运算的作用。量子测控系统包括硬件和软件。如果没有量子测控系统，量子计算机将无法运行。
　　量子测控系统发展历程
　　2016年之前，量子测控系统还是量子计算机研发团队利用一系列科学仪器自行搭建，下图所示的IBM量子测控系统就包含了数台科学仪器，但是近年来量子测控系统已经实现集成。
　　IBM量子计算机全览图
　　目前提供量子测控集成系统的国内外公司还非常少，国外主要包括苏黎世仪器、是德科技、谷歌、Qblox等。
　　国内公司主要包括本源量子、国仪量子、国盾量子等。需要指出的是，国盾的ez-Q™ Engine超导量子计算操控系统技术在2021年成功助力中国科大潘建伟、朱晓波团队设计并构造了62量子比特的可编程超导量子计算原型机「祖冲之号」，并深入研究了二维量子随机行走。
　　就在这个月，祖冲之二号继续沿用其技术完成了「量子计算优越性」的实验，助力中国成为全球唯一一个在两个技术路线上完成「量子计算优越性」的国家。 国盾的ez-Q Engine也是全球唯一一个用其相关技术助力成功「量子计算优越性」实验的商业产品。
　　该系统由国盾量子联合中国科学技术大学打造，单设备最大可集成8比特激励和2读出通道的控制资源，开箱即用。相关技术也应用到了量子创新研究院量子计算云平台。
　　21版ez-Q Engine超导量子计算操控系统
　　总体而言，目前提供量子测控集成系统的国内外公司还非常少，说明量子测控仍是一个非常前沿的领域。未来，量子纠错的支持、物理比特和逻辑比特的映射、虚拟层的支持、更高效的量子芯片校准等功能，需要随着量子芯片比特数目的增加而进一步拓展测控系统的能力。
　　云平台：加速量子计算的应用
　　引用今年4月在济南举办的「量子计算与数据安全」分论坛上量子创新院量子计算云平台新功能版块发布会上提到：「量子计算发展有三大矛盾：第一个矛盾是快速的量子计算发展和量子知识的普及之间的矛盾。第二个矛盾是高昂的设备投入和科研普及之间的矛盾。第三个矛盾是复杂的技术难度和应用的渴望之间的矛盾。量子计算云平台是解决这三个矛盾最有效的方式！」
　　超导量子计算云平台发展历程
　　全球第一个量子计算云平台是IBM在2016年5月上线的Quantum Experience，上线第一周就有7000名注册用户。
　　IBM量子计算云平台
　　截至上线5周年，IBM Quantum平台用户超过325000名，包括IBM Quantum Network的150多个组织。开源Qiskit软件开发工具包下载次数65万+，每天在IBM Quantum系统上运行20亿个量子电路。使用IBM Quantum发表了700多篇论文。
　　随着量子计算云平台的出现，深刻地改变了量子计算公司的商业模式，例如，D-Wave公司不得不放弃之前销售整机的策略，转而开发量子计算云平台。
　　2018年以来，Rigetti、微软、亚马逊、QuTech、Xanadu、QC Ware、1QBit、Strangeworks以及ColdQuanta等推出了一个又一个量子云平台，国内也有量子创新研究院、阿里巴巴、百度、华为、本源量子、量旋科技、昆峰量子、中科院物理所以及北京量子院等陆续上线了量子云平台。其中，IBM、Rigetti、微软、亚马逊、QuTech、Strangeworks、量子创新研究院、本源量子、中科院物理所和北京量子院等支持超导量子计算机。
　　国内最早的量子云平台，是量子创新研究院（上海）于「2017杭州·云栖大会」上联合阿里云共同发布的「量子计算云平台」，最初提供11比特的云接入超导量子计算服务。
　　2021年2月，量子创新研究院（上海）联手济南量子技术研究院和国盾量子，对量子计算云平台进行了全面升级。目前，该云平台已接入12比特超导量子计算物理机，比特数目前国内最多。据悉，更多比特更高性能的量子计算原型机正在建设中。
　　中科院量子创新研究院量子计算云平台
　　除了量子创新研究院之外，还有北京量子院和中科院物理所在2021年5月分别推出了8比特和10比特的超导量子计算云平台。企业方面，本源量子在2020年9月推出了6比特超导量子计算云平台。
　　量子软件：推动近期现实应用
　　主要量子算法的提出
　　通用量子计算机的概念提出后，1992-1996年相继出现了Deutsch-Jozsa算法、Shor算法和Grover算法，这些算法第一次展示了量子计算机超越经典计算机的潜力。麻省理工学院的一位博士评价道：「如果不是Peter Shor博士，量子计算机可能仍然是一个智力玩具。」
　　量子算法发展到今天，大致可以分为四类。第一类是以Shor算法为代表的基于量子傅里叶变换方法的寻找周期性的问题，除了Shor算法还包括Deutsch–Jozsa算法、Bernstein–Vazirani算法、Simon算法、量子相位估计算法、隐含子群问题、玻色取样、估计高斯和等。
　　第二类是基于振幅放大的算法，Grover算法构建了基于概率幅放大方法的一类问题的基本框架。包括改进的Grover算法、碰撞问题、量子遗传算法、量子模拟退火算法、量子神经网络等。
　　第三类是属于模拟或解决量子物理问题的算法，包括费曼提出的用量子计算机加速量子物理模拟的原创性设想，而目前主流的是基于量子行走、尤其是连续时间量子行走的算法。最近中国科大研制62比特超导量子计算机「祖冲之号」就运行了此类算法。
　　第四类是求解线性方程组的量子算法，主要是前述的HHL算法线性系统，由于是很多科学和工程领域的核心，HHL算法将是未来能够在机器学习、人工智能科技得以突破的关键性技术。
　　此外，有人提出了量子/经典混合算法，将量子态制备和测量与经典优化相结合。例如量子近似优化算法(QAOA)、变分量子本征求解器(VQE)。
　　算法需要通过软件来实现。当前量子计算机软件系统，总体上可以分成基础层软件、开发层软件、应用层软件3个主要的层次。
　　基础层软件，主要是实现量子算法的运行，同时提供对量子芯片运行维护服务的支持，包括前述的量子测控软件。
　　开发层软件，提供了研究量子算法、开发量子应用的工具链体系，包含了众多量子编程语言和量子软件开发工具。这一层面的工具大体可以被分成3类：量子语言、量子编程框架以及量子中间表示。
　　量子开发工具一览
　　最上层的应用层软件，提供了面向各个领域的量子计算技术应用和解决方案，涉及到用量子语言编写的、能解决特定问题的算法和应用程序，直接提供给终端用户使用。量子云实际上也位于这一层。
　　目前，量子化学和量子人工智能是两个比较热门的应用领域。
　　在量子化学软件方面，2017年10月，谷歌推出了OpenFermion工具，可以支持对任意分子构型的输入产生模拟该分子的量子程序；2019年6月，本源量子推出了量子化学应用软件ChemiQ；2019年9月，华为推出了HiQ Fermion软件包，提供一站式的量子化学模拟解决方案。
　　在量子人工智能软件方面，IBM推出了量子支持向量机，本源量子推出了量子机器学习框架VQNet。2020年，谷歌推出了集成许多量子算法和逻辑的TensorFlow Quantum(TFQ)量子机器学习库，用于快速设计量子与经典机器学习混合模型的原型。百度发布了量子机器学习开发工具Paddle Quantum量桨，这是国内首次在深度学习平台引入量子机器学习工具。
　　这些软件、算法的提出，推动了量子计算的近期应用。此外，根据业内共识，量子计算进入近期应用的标志就是完成「量子计算优越性」，硬件的进步保证了软件、算法的运行。本次量子创新研究院完成「量子计算优越性」实验，将推动国内量子软件的开发。
　　通用容错量子计算机，还要多久
　　量子计算优越性是我们迈向通用量子计算机的第一个里程碑。
　　如图所示，绿色区域是纠错的通用量子计算机所需要达到的硬件要求。虚线是进行量子纠错的错误率阈值，我们刚刚超过了这个阈值；而50个量子比特以内的量子线路是经典计算机就能够模拟的，我们也刚刚超过了这个阈值，即量子计算优越性。
　　那么距离通用容错量子计算机还差多远呢？单从比特数量上看，我们还有5个数量级以上的差距。5个数量级是什么概念呢？可以参考经典计算机的发展，受摩尔定律支配，晶体管的数量一直以大约每两年翻一番的速度在增长。按照这个速度，量子比特数量达到100万需要26年。
　　但是在商业公司看来，量子计算机的发展速度要快得多，比如IBM和谷歌都提出了2029年实现100万个量子比特，而且是纠错的通用量子计算机。而PsiQuantum公司甚至承诺将在2025年实现100万个量子比特，这是一台光量子计算机。另一家做光量子计算机的加拿大Xanadu公司表示将在2026年实现100万量子比特。
　　与超导、离子阱、半导体等技术路线相比，光量子计算具有明显的优势。国内首家光量子计算公司「图灵量子」创始人金贤敏认为， 实现通用量子计算机有三个前提——百万量子比特的操纵能力、低环境要求、高集成度。 而光量子路径是 唯一 能够满足这些条件的技术体系，是通向大规模通用量子计算的最可行路径。
　　通用量子计算机必须要具备百万级别的量子比特数，并可以对其进行操控和自动纠错。光量子具有的相干时间长、可纠缠、稳定性高等特点，正好满足了这个要求。同时，光量子可在室温下实现作用，而不需要超低温的大规模极端制冷设备，为其广泛和通用的应用建立了基础。
　　另一方面，金贤敏教授认为，集成度高也是实现通用量子计算的前提。量子计算的实现，不能脱离现有大规模的半导体工艺。沿用成熟的CMOS半导体制程，光量子芯片可以实现大规模的生产和制备。以光子芯片为基础进行的快速试错和迭代，为技术成熟和低成本制造提供基础。
　　「图灵量子」最近完成了1亿元人民币的天使轮融资，这也是国内量子计算领域最大单笔天使轮融资。而来自美国的PsiQ和加拿大的Xanadu公司，也分别在不久前拿到了1亿美元以上的单笔融资。这三笔融资全部来自光量子计算公司，足见市场对于光量子计算的信心，业内人士甚至认为，从某种程度上说， 2021年可以称之为光量子计算元年。
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　　--光子盒