量子芯片露头角 混合量子与经典是现实的选择(1)_科学探索

在量子信息领域取得一系列研究成果的中国科学院量子信息重点实验室（简称中科院量子信息实验室）教授李传锋，不久前刚刚获得了王大珩光学奖。此间，他对量子计算机的发展有着独特见解。

“如果单纯实现某个经典计算机完不成的模拟任务，我感觉近期内就可以实现，但真正实现量子计算可能还需要近20年。虽然不清楚未来量子计算机是什么模样，量子与经典混合的模式可能是比较现实的选择。”他在电话那头对《中国科学报》记者说。

量子计算最大挑战

“量子计算原理性的实验验证已很多，但是要达到成型的量子计算机还需要对量子系统及其环境的控制更加精细。一方面，应加大可控量子系统的比特数目，另一方面应控制环境，以降低对量子系统操作的出错几率。”李传锋介绍。

可控量子需要加大到多少数目才能真正做成量子计算机呢？

“对于一些复杂的问题，比如远离平衡态的演化等，量子计算机更能展现优势。要超越经典计算机的运算能力，只要操控30个左右的量子比特即可。”李传锋回答道。

不久前，《科学》杂志发表了美国马里兰大学与美国国家标准与技术研究院（NIST）的联合量子研究院教授克里斯·门罗（Chris Monroe）的一篇综述文章。该文规划出了可扩展离子阱量子处理器的宏伟蓝图。结合芯片技术及离子与光的耦合技术等，李传锋解释说，理论上离子阱系统可操作的量子比特数目能扩展到106量级。“实际上，当量子比特数超过400时，其中蕴涵的量子态数目2400就已经超过了整个宇宙中基本粒子的数目。”

而关于量子计算目前出错的几率，李传锋表示：“目前，科学家对单个粒子的操纵已达到极高水准。2012年诺贝尔物理学奖授予了两位科学家，他们是抓住并操控单个量子粒子的塞尔日·阿罗什和大卫·维因兰德（David Wineland）。”李传锋说。

他介绍道，两粒子间的门操作精度达到99.3%，是由奥地利因斯布鲁克大学教授雷纳·布莱特研究组在离子阱中实现的。这个精度已达到容错量子计算的要求。但如果离子阱中离子数量增加，环境带来的影响会相应加大，门操作精度也会随之下降。“要想实现大规模的容错量子计算，仍然需要改善，以降低出错几率。”

量子不能完全取代经典

李传锋认为，在经典计算机的主板上，除了现在的CPU外，还可以有个QCPU插件。需要用量子并行算法时，提交给QCPU处理即可。QCPU类似于专用的图形处理器等，安装在传统计算机上形成混合模式。这是局域量子计算模式，如果希望更有效地发挥量子并行计算优势，需要搭建量子网络来实现分布式量子计算等。

他解释，量子计算与经典计算不太一样。经典计算是人类先对自然规律有一定认识后，根据规律编制程序，再使其运转。在自然与计算机之间，有人的参与，是人类搭建了一座桥梁。

而量子计算系统本身可以看成是自然界的一部分，是它在自然与人之间搭建了一座桥梁。

“我们一般相信自然界的运行在深层次上是由量子力学支配的。量子计算或模拟系统是自然界的一部分，是我们操控得比较好的那部分。人类通过操控这些量子系统，可以窥测更加复杂的系统，如湍流与混沌、阻挫自旋网络甚至高温超导等。”李传锋说。

但他认为，“并非所有问题量子计算都比经典计算更有优势。就像复数与实数一样，复数在各门学科中都展示了极大威力，而在日常生活中，我们不需要用到如此高深的工具，只用实数就足够了。”

目前，量子信息实验室正在搭建量子网络平台，所建立的网络就是一个量子与经典的混合装置。这个装置有点像混合动力汽车动力系统互补和穿插。

量子芯片露头角

作为量子通信和量子计算领域重要资源的量子关联十分脆弱，很容易被环境破坏而消失。如何解决这一问题，对学术界而言一直是极大挑战。

李传锋研究组曾在光学系统中制备出各种贝尔对角态，在消相干环境中进行传输，在实验上研究关联的演化。他们在世界上首次发现了一类初态，其量子关联能在很大范围的消相干环境中不被破坏，称之为量子关联无消相干子空间。

随后，他们利用特制的法布里—玻罗腔作为量子信道，在光学体系中首次观测到量子纠缠的崩塌与复原现象，即纠缠逐渐减少后在相同环境下继续传输又会自动增加；他们还首次观察到，量子纠缠突然死亡一段时间后又重新复活的奇异现象。其系列成果不仅在量子存储等方面获得了重要应用，而且对于量子网络通信的实现均具有重要意义。

李传锋还介绍道，实验室郭国平小组专门研究量子芯片。他们与国外合作者进行单比特操作的速度已经达到10皮秒量级，即10-11秒，实现了世界上最快速量子逻辑门操作。

这个研究组从可大规模集成化的半导体单电子晶体管的设计制备出发，在砷化镓铝异质结中，制备出一种集成了双路量子探测通道的栅型双量子点复合结构，通过调节加载在栅电极上电秒冲的高度和宽度，成功实现了皮秒量级单比特超快普适电控量子逻辑门。这一记录比国际上公开报道的电控半导体逻辑门的运算速度提高近两个数量级，相关研究成果发表在今年1月29日《自然—通讯》上。

“更快的量子逻辑门操作，可能将量子计算从小规模的实验室演示推向真正的实用化。”李传锋表示。