中国量子计算研究获新突破，经典计算机或被颠覆

近日，据央视新闻报道，我国量子计算机研究取得突破性进展，中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片。

量子芯片相当于未来量子计算机的“大脑”，研制成功后可实现量子的逻辑运算和信息处理。有了计算，量子的存储及控制技术也必不可少。这款三明治型的固态量子存储器，在低温有磁场的辅助设备中才能工作。

中科院的这一个研究成果给中国量子计算领域带来了一股新的清流。

为什么要研究量子芯片

要说这个，就必须从半导体的芯片发展说起。

自从Intel 创始人摩尔提出了指导半导体芯片业发展的“摩尔定律”以后，芯片上的晶体管数量就遵循每两年翻一番的这个约定俗成的定律。包括做光刻机的ASML ，做芯片生产的Intel 、TSMC 和三星在内的众多企业为保持摩尔定律的继续有效，做各种技术改进。而芯片的制造工艺也来到了16nm ，而10nm 也都快要上马了。但业界认为，摩尔定律会很快失效。

《自然》杂志曾经在报道里面声称，现有的芯片设计工艺已经达到10nm ，预计2020 年达到2nm 。而达到这个级别上的晶体管只能容纳10 个原子，电子的行为将不再服从传统的半导体理论，此时晶体管将变得不再可靠。这样就限制了芯片性能的提升，使得经典计算机的性能无办法提升，这种环境下就推动了量子计算机的产生。

图一 现用芯片设计工艺的发展趋势

从任务处理上看。经典计算机一次运算只能处理一个任务，而量子计算机则一次运算中可以同时处理多个计算任务，计算效率大幅提升。这就使量子计算机成为研究关注的重点。

我们知道在传统计算机领域，其关键的处理器市场几乎被AMD 和Intel 垄断，而由于生态和技术的原因，我们在这个领域一直是举步维艰。而新的量子计算机的出现，几乎让大家又回到了同台竞争的位置。

为了卡位量子计算，在下一代的计算机中争取话事权，于是中国就投入了量子计算机的研究，当中就以文章开头提到的中科院实验室最为知名。

量子计算要怎样实现

为了搞清楚这个问题，我们先要了解一下量子计算的原理。

量子计算机的基础计算能力来源于一种想法，也就是您可以将信息比特放进状态中的叠加态。您可以想象成这么一种情况，量子比特还没有决定它将成为那种状态。有人喜欢把这种叠加态看作“同时拥有两种状态”。

而要真正做出来量子计算机，需要满足三个基本条件：量子芯片、量子编码和量子算法，它们分别是实现量子计算的物理系统（即硬件）、确保计算可靠性的处理系统和提高运算速度的关键（即软件）

关于物理部分，中科院的郭光灿院士曾经说过：

我们首先需要明确一个概念，量子计算机这个概念应该是费曼在1981 年提出的，而量子信息的单元称为量子比特（qubit ），它是两个逻辑态的叠加态。量子比特可以制备在两个逻辑态0 和1 的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0 和1 。考虑一个N 个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2N （N 是上角）个可能数据当中的任一个，若它是量子存储器，则它可以同时存储2N （N 是上角）个数，而且随着N 的增加，其存储信息的能力将指数上升，例如，一个250 量子比特的存储器（由250 个原子构成）可能存储的数目比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。

从现在的发展状况上来看，量子计算的物理系统有很多方案，包括了核磁共振系统，低温超导系统，光子量子系统等。这些都是非常好的物理实现方法。

图2 ：量子计算的物理实现方案

跟经典计算机一样，量子计算同样需要优秀的算法，才能使计算能力尽量使用。关于这方面，知乎用户huang 莱因哈特有一个比较相信的解析：

“对于量子计算来说，就需要量子算法来使得量子计算机的计算速度得到最大的利用。比较著名的是shor ，Grover ，quantum random walk 。要找到一个量子算法超越所有的经典算法还是有难度的，当然很多人在做，而且这里也很多关于这些的回答，我也只做过quantum hidden markov model ，发了一篇文章就转向做实现去了，所以我也不去凑这个热闹啦。

经过几十年的发展，量子计算机已经迈进了一个新阶段。

图3 ：量子计算机的发展史

中国的量子计算成果

在文章开头提到的国科学院量子信息重点实验室是我国量子信息领域第一个省部级重点实验室，也应该是国内研究量子计算最出色的一个团队。

主要研究方向为半导体量子芯片、量子纠缠网络、量子集成光学芯片、实用的量子密码以及量子理论等。2005 年在国际上首次经由实际通信光路实现了125 公里单向量子密钥分配，2009 年在芜湖建成世界上首个量子政务网，2011 年首次实现八光子纠缠源，2012 年首次实现了量子惠勒延迟选择实验，制备出了粒子和波的叠加状态，极大地丰富了人们对玻尔互补原理的理解。同年首次实现光子偏振态的固态量子存储，99.9% 的保真度创造世界最高水平。2013 年首次在冷原子系综中实现了光子轨道角动量的量子存储。

从中科院的官网上看，其研究成果覆盖了以下内容：

2013

实现单比特超快普适电控量子逻辑门

利用量子统计测量技术实现不受传统光学散射极限限制的相邻发光物体的测量和分辨

2012

量子惠勒延迟选择实验的实现

CuO 高临界温度机制的第一性原理模拟

光子偏振量子比特的固态量子存储器的实验实现

二维极化费米气在自旋耦合作用下的奇异配对态及准粒子激发

2011

验证新形式的海森堡不确定原理

制备出八光子纠缠态

实现对开放量子系统环境的调控：从马尔可夫到非马尔可夫的突变

量子点激子精细结构的研究

2010

“在Ge/Si 纳米线量子调控实验上取得重要进展”

“实验上首次发现量子关联可以不被环境破坏”

2009

“在量子信息基础理论研究中取得重要进展”

“在芜湖建成世界上首个量子政务网”

2008

“提出用超导传输线腔耦合多个双量子点分子制备量子点分子团簇态的方法”

“用光学方法实现“量子赌博机””

“实现高精度量子相位测量，突破标准量子极限”

2007

“实现四端口量子密钥分配网络”

“量子开关可以被局域识别”

“揭示铽锰氧的巨磁电效应机制”

2006

“多光子干涉及六光子的时间可区分性”

“基于表面等离子体的纳米光子学”

“国内首次完成量子霍尔效应的实验”

2005

“实现远距离光纤量子保密通信”

“固态光学微腔”

2004

“实现量子受控非门的隐形传输”

“固态容错量子计算新方案”

2003

“实验证实与环境无关的隐变量理论不存在”

2001

“原子系综量子中继技术的理论和实验研究”

2000

“基于腔QED 的量子信息处理器”

1998

“概率量子克隆原理”

1997

“量子避错编码”

量子计算机未来

量子计算的出现，势必会改变经典计算机的市场格局，而芯片层级的厂商分布也会受影响。以往只由AMD 和Intel 等统治桌面处理器的时代也许会一去不复返。但对于厂商而言，所面临的挑战也是巨大的。

目前全球只由D-Wave 一家公司能提供量子计算机服务。其目前的主要应用领域是军工和超算中心等。但功能单一加上昂贵的价格，使得量子计算机目前并没有能做到传统PC 的广大影响力。

但相信如传统PC 的发展一样，量子计算终有一日会发展到能被接普遍接受的水平。中国在当中的投入为抓住下一波计算机遇起了莫大的作用。

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