世界量子计算研究进展

　　量子计算机遵循量子力学的原理运行，通过量子态的粒子进行运算。相比于传统架构的计算机，量子计算机在计算能力上拥有无法比拟的优势。20世纪80年代以来，经过几次发展浪潮，量子计算重归公众与学术界视野，成为新一轮的研究热门。自2019年谷歌公司宣布＂量子优越性＂以来，各国竞相开发多量子比特数、高容错率的量子计算机，以期实现通过使用量子计算解决传统架构计算机难以完成的复杂任务。
　　1.美国费米国家加速器实验室开发出适用于量子计算的超导射频腔体2020年2月，美国费米国家加速器实验室（Fermilab)的研究人员开发出适用于量子计算的超导射频腔体，该腔体仅为手掌大小，可在短时间内将粒子加速至极高的速度以用于量子计算研究。研究人员在阿贡国家实验室的高性能计算机上进行仿真实验，从而预测该腔体的性能，以便改进设计，提高该腔体在量子计算机开发中的作用。
　　2.国际联合研究团队取得容错量子计算新突破
　　2020年4月，麻省理工学院、加州大学河滨分校(University of California，Riverside,UC Riverside)、 香港科技大学(The Hong Kong University of Science andTechnology，HKUST）和印度理工学院(Indian Institute of Technology，IIT)的研究人员首次在金属材料金中观察到马约拉纳费米子(Majorana Fermion)，该发现将推进容错量子计算的研究。马约拉纳费米子是一种特殊的粒子，其反粒子与自身的特性完全相同，可用于创建量子计算中的稳定比特。同时，该粒子还使在固体中实现拓扑量子计算成为可能。本次在金材料中发现的马约拉纳费米子，适用于标准的纳米制造技术，可用于容错量子计算机的量子位构建块。该研究成果为量子计算机性能的提升进一步铺平了道路。
　　3.美国研究人员开发出新的量子计算控制方法
　　2020年4月，美国艾姆斯实验室(Ames Laboratory)、布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory，BNL）和阿拉巴马大学伯明翰分校（The UniversityofAlabama at Birmingham，UAB)的研究人员发现了狄拉克半金属中的光致开关机制。该机制为拓扑材料中电子和原子的运动控制建立了一种新方法，这将使拓扑晶体管和光量子计算机成为可能。借助新的方法，研究人员可通过光线控制狄拉克半金属中的量子态，相比基于电场、磁场和应变场控制的调谐方法，其调谐速率更快，且能耗更低，有利于开发量子计算策略和高速、低能耗的电子产品。
　　4.美国研究人员证明室温下量子计算的可行性
　　2020年5月，美国陆军研究实验室与麻省理工学院的研究人员合作证明了室温下量子计算的可行性。研究人员通过计算机模拟证明，可在非线性光学晶体中制造出空腔并将光子暂时捕获在其内部，以此建立量子位，并用晶体腔是否带有光子表示不同的量子态，进而创建量子逻辑门。这一研究成果表明，结合非线性光学晶体的光子电路已成为目前在室温下使用固态系统进行量子计算最具可能性的方法。研究人员预计，该技术的成功演示还需要约十年的持续研究。
　　5.瑞士苏黎世联邦理工学院开发出首套直观的量子编程语言
　　2020年6月，瑞士苏黎世联邦理工学院(Swiss Federal Institute of TechnologyZurich，ETH)的研究人员开发出首套直观的量子编程语言Silq，该语言允许开发者像传统计算机一样简单、可靠且安全地对量子计算机进行编程。Silq语言并未围绕硬件的结构和功能来开发，其主要目标是帮助开发者专注于任务，而不必理解量子计算机体系结构和系统实现的每个细节。研究人员表示，与现有语言相比，Silq语言更紧凑、更快、更直观且更易于理解，能使开发者更好地挖掘量子计算机的潜力。
　　6.美国麻省理工学院提出一种可同时用于量子计算和量子通信的架构
　　2020年7月，美国麻省理工学院的研究人员提出一种量子计算架构，可执行量子计算，同时在处理器之间快速共享量子信息。研究人员基于超导量子位创造出一种人造的＂巨型原子＂，可以调整量子位与波导相互作用的强度，从而可以保护脆弱的量子位免受量子退相干现象或波导管在执行高保真操作时可能会加速的自然衰减的影响。通过巨型原子执行量子计算，量子比特与波导耦合的强度会重新调整，量子位能够以光子的形式将量子数据释放到波导中。在演示实验中，两量子比特纠缠的保真度达到94%。该研究使量子信息处理和量子通信成为一体，有望为研发完整的量子平台开辟新的道路。
　　7.IBM公司大幅改进其量子计算机性能
　　2020年8月，IBM公司宣布将其量子计算机的量子体积(量子体积为IBM公司开发的量子计算性能指标）提升至64，相比于2019年的32提升了一倍。该指标的提升意味着量子计算机能执行更快、更复杂的计算。＂量子体积＂指标用于衡量量子计算机的性能，其影响因素包括量子比特数、门和测量误差、设备交叉通信，以及设备连接和电路编译效率等。为争夺＂量子优越性＂，即量子计算机性能的优势，IBM公司为其量子计算机定下＂量子体积＂每年翻番的目标。随着霍尼韦尔公司、IBM公司不断提升其量子计算机的性能，商业硬件公司在量子计算领域的竞争还将进一步白热化。
　　8.美国哥伦比亚大学将牵头开发量子模拟器
　　2020年9月，美国哥伦比亚大学（Columbia University)获得美国国家科学基金会（NationalScience Foundation，NSF)拨款100万美元，用于建造量子模拟器。哥伦比亚大学的研究人员将与来自学术界、国家实验室和行业的物理学家、工程师、计算机科学家、数学家和教育家等人士进行合作研究，基于原子的有序阵列构建通用的量子模拟器。该模拟器有望促进通用量子计算机的推出，用于处理传统超级计算机无法运算的复杂问题。
　　9.美国IonQ公司推出下一代量子计算机硬件路线图和新型量子计算性能指标
　　2020年12月，美国IonQ公司描述了其扩展下一代离子阱量子计算机的战略和目标，并推出了一种新的量子计算性能指标。该公司的技术战略包括增加量子比特数量、提高量子比特门保真度、使其芯片和系统小型化、降低制造成本、利用纠错技术有效改善本地量子比特质量，以及使用光子网络将多个模块组合成一个更大的系统。此前，业界通常使用IBM公司提出的＂量子体积＂指标来衡量量子计算机的性能。然而，IonQ公司认为，量子体积度量标准存在缺陷，当量子计算机的性能足够强大时，这一度量标准将存在局限性。因此，该公司推出了自己的度量标准，并称之为与量子体积相关的＂算法量子比特＂(Algorithmic Qubits)。IonQ公司的相关规划体现了其自主创新的坚定决心。