| 标题 | 量子计算机工程化现状及挑战 |
| 范文 | 杜世平 摘要：量子计算和量子信息研究的是用量子力学系统能够完成的信息处理任务，主要涉及量子力学、计算机科学和密码学等不同领域的科学理论。更深层次地探讨量子科学与工程技术，对于人们从本质上认识物理化学过程及生命科学等具有重要意义。介绍了量子科学技术相关研究成果，指出了当前量子科学前沿课题、量子计算机工程化难题及对策。 关键词：量子科学；量子计算；量子计算机工程化 中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）003-0013-02 0 引言 量子科学是当前研究热点，它揭示了世界变化过程的本质。量子计算机是人类认识计算系统的一种理想，并且正将量子计算向量子计算机工程化方向推进。量子计算相较于经典计算在某些方面具有独特优势，经典计算不能实现某些海量解空间集问题的处理，而量子计算凭借高速的数据处理能力能够实现，这是计算机科学家和理论物理学家都致力于研究量子科学理论的关键原因之一。当然，对量子科学的研究，科学家还希望它能够解释一些特殊的问题或者现象[1]。本文从量子计算、量子计算研究现状、量子计算机、量子计算机工程化难题等方面，分别介绍当前研究难题及相关观点。 1 量子计算及量子算法 1.1 量子bit与量子门 在经典计算机和信息论中，bit是基本概念，但与经典量子比特相比，量子科学中的比特使用的是量子比特，即qubit。一个量子bit有两个状态，即0态（|0>）和1态（|1>），相应于经典比特的线性叠加表达为：|φ> = a|0> + b|1>。关于量子计算的一切理论推导都是基于此展开。其中，a和b是复系数，满足归一化条件，即|a|2 +|b|2= 1。量子比特0，即|0>表示10；量子比特1，即|1>表示01 。为了直观理解量子比特的含义，通常在Bloch球上通过三角变换，实现对量子bit的相关运算。 1.2 多量子bit 以双量子比特为例，根据概率论相关思想可知，两个量子共有4个状态，即，00、01、10、11.所以双量子bit共有4个基：|00>、|01>、|10>、|11>。一个双量子bit可以是如下状态，为以上各量子bit基的概率组合：|φ>=a00|00> + a01|01> + a10|10> + a11|11>。同样，它们也满足归一化条件，归一化条件为1=|a00|2+|a01|2+|a10|2 + |a11|2。 多量子bit的情况比单量子bit要复杂得多，更多量子bit，意味着更加复杂，并且不能通过类似Bloch球的方法实现直观表达量子空间数据运算的过程。 1.3 单量子比特门 经典计算的信号由连线和逻辑门组成。目前，从经典计算机运算模型角度出发，量子链路也是由逻辑门组成。单量子比特是二阶酉矩阵U，满足UU = I，作用在量子比特状态|φ> = a|0> + b|1>上。每一个U对应一个有效的量子门，量子门都是线性的。 1.4 多量子比特门 经典链路比特门有“与”、“或”、“非”、“异或”、“或非门”，在经典比特门上的运算都可以通过这些门的复合来实现。量子链路中的受控非门也有和经典链路相似的逻辑运算表达，即任意多的量子比特门的各种运算都可以通过受控非门和单量子比特门复合。 1.5 量子算法 关于量子算法，目前已有几种经典的过程描述，比如Deutsch-Jozsa量子算法、基于傅里叶变换的量子算法等。还有一些比较新的算法，都是从不同角度为了规避或者解决某些问题而提出。 2 量子计算机及其工程化 从量子计算到量子计算机过渡，是理论到工程的问题。量子计算机被看作是一种计算能力非常强大的系统，能够突破现有的基于图灵运算处理模型的运算能力。但在整体上，量子计算机的基本理论和图灵运算模型是等效的，其运算能力突出是因为其具有量子特性的存储和访问特性，这种特性使得高速并行得以实现，故而实现高性能运算。同时，这种新系统的新特性依赖于硬件支持，基本计算理论已经比较完备，但是硬件支持是目前研制量子计算机待解决的首要难题。 清华大学于2014年8月份在《自然》发文[2]，文中指出，可以在金刚石的固态空间环境中实现几何量子运算。该文的意义在于金刚石的固态空间通过外加干扰实现了数据基于希尔伯特空间的量子运算，而金刚石固态空间正是一个可以在现实世界里找到的能够实现量子计算机的固态材料。相较于之前的计算推理，金刚石内实现的固态几何量子运算推动量子计算向工程可行性方向迈出了一大步。 最近，有研究者发现了拓扑绝缘子[3]的新特性，而此新特性能够帮助人们克服量子计算机工程化难题，这一轰动性发现给未来量子计算机工程化创造了新的条件。 由于工程化量子计算机要求物理器件具有相对较高的物理特性，因而关于量子科学，当前研究的主要方向仍然集中在如何在现实世界里寻找减少量子信道噪声的量子门物理器件，以及寻找更容易找到的、具有抵抗各种噪声干扰的物理材料，以构造量子计算机的材料和运算物理环境空间。 3 问题解决策略 文献[2]的最大成就在于找到了较弱干扰条件，并基于该条件实现了运算。量子计算机一直以来的最大挑战是量子门的保真度不够高，而保真度又和干扰相关，因此寻找干扰条件是解决量子计算机工程化难题的关键。 为了提高保真度，人们提出了几何相的量子门方案和相应的量子编码方案，该方案对于信道噪声有一定的抵抗作用。后来，人们又提出了粒子肼系统[4]，并在此基础上结合无消相干子空间机制，或者证明其潜在工程材料特性。这些机制对于抵抗量子门噪声有一定作用，或者本身具有很好的物理特性。寻找极低干扰条件的环境、寻找保真度优的量子器件、探索新的更易于用量子器件实现的算法过程，这是现在和未来量子领域科学家们继续努力和追求的目标。 4 结语 人们对量子理论进行各种研究，其目的都是为了能够工程化量子计算机服务。量子计算机的最大特性在于能够带来计算的革命：如果量子计算机诞生，以往经典计算机不能解决的问题几乎都不再是问题了。 量子科学领域研究的微观粒子的运算过程表征了由微观世界微运动构造的宏观事物的一般性基础科学理论。目前，量子计算理论已经发展了相当一段时间，计算机科学家和凝聚态物理科学家们在量子纠错问题上已经取得了长足进步，并且新的算法还在不断改进以往的方法和过程。相信在科学家们的不断地努力下，量子计算机工程化会逐渐渗透到人们的生活中。 参考文献： [1] 玻姆.整体性与隐缠序：卷展中的宇宙与意识[M].上海：上海科技教育出版社，2014. [2] C ZU，W B WANG， L HE， et al.Experimental realization of universal geometric quantum gates with solid-state spins[J]. Nature， 2014，514 （10）： 72-75. [3] YANG XU，LRENEUSZ MIOTKOWSKI.Topological insulators' promising for spintronics， quantum computers[J].Science Daily， 2014. [4] XIN-DING ZHANG， SHI-LIANG ZHU， LIAN HU， et al.Nonadiabatic geometric quantum computation using a single-loop scenario[J].Phys. Rev. A，2005，71（4）：1-4. （责任编辑：孙 娟） |
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