1.量子計算機還遠嗎?

作者：尹璋琦
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量子計算機，自從1994年在實驗室里出現首個原型，到現在二十多年了。量子計算機發展的最初20年，技術一直緩慢地在積累。人們嘗試了離子阱，腔量子電動力學、超導電路、量子點，單光子，金剛石色心等很多個實驗系統，但好像始終在研究如何實現兩個量子比特的量子邏輯門，如何制備兩個、三個量子比特的糾纏態什么的。光量子糾纏態從4個到6個，再到8個和10個光子，前后好像花了十五年吧。離子阱量子計算機的可控離子數目從兩個增加到10個以上，也花了小二十年。目前最熱門的超導量子計算機，在2005年前后量子比特的壽命不到100納秒，兩個量子比特邏輯門的保真度只有80%上下。

雖然從表面數字上量子計算機只是在緩慢的變化，但實際上技術還是在持續積累，人們對量子計算機的認識和信心也越累越強。2010年前后，超導量子計算機的技術開始迅猛發展，量子比特的壽命短短十年就從100納秒提升到100微秒，同時邏輯門的保真度也迅速提升到99%以上，達到了容錯量子計算的閾值以上。而離子阱系統中，在2011年也做出了14個離子的多體量子糾纏態。

2015年前后，谷歌加入了量子計算機的硬件研發，從美國加州大學圣巴巴拉分校挖來了Martinis教授負責量子計算的硬件投入，同時IBM也在這個方向加大了投入，2016年發布了5個量子比特的量子計算云平臺。創業公司也開始出現了，比如說最早做離子阱量子計算的Monroe教授創辦了IonQ公司，發展離子阱量子計算，從IBM出來的Regetti 公司發展超導量子計算。中國的阿里巴巴、華為、騰訊和百度等公司也在兩三年前開始了量子計算機的研發。他們從軟件著手，目前也開始啃量子計算硬件的硬骨頭。

工業界的投入讓這個方向的發展步入了快車道，20多年的技術積累不是白費的，量子計算機無論是量子比特的數目，還是量子邏輯門的保真度都在快速提升。我記得IBM剛剛發布其量子云平臺時，只包含5個量子比特，兩個量子比特邏輯門的保真度只有95%左右。而2019年其最新發布的量子云平臺，兩量子比特邏輯門的保真度已經超過99%了?，F在不論IBM還是谷歌都已經做出了60個量子比特以上的量子計算機，去年谷歌更是在其機器上演示了“量子霸權”的實驗，驗證了量子計算機可以超越經典計算機。

另一方面，在離子阱與超導量子計算機以外，基于硅基量子點與光子系統的量子計算也在蓬勃發展。比如說，低溫下硅基量子點的相干時間被證明可以長達幾個小時，而其工作溫度也從10mK的超低溫提升到了3K。開發硅基量子點量子計算機的公司，聘請了Martinis教授兼職，預計兩年內可以做出超過10個量子比特的原型機。由于英特爾公司在硅基系統中有長久的積累，所以他們對此系統很有興趣，這幾年也投入了很多資源。

最近這一兩個月IBM與谷歌都貼出了自己的量子計算機路線圖。谷歌預計5年做出超過一千個量子比特的量子計算機，到2030年，做出超過一百萬量子比特的，通用可容錯的量子計算機。

IBM量子計算機研發路線圖
上圖展示的IBM的路線圖，他們更加激進，預計3年做出超過1000個量子比特的量子計算機，

作為量子計算的創業公司，IonQ選擇了離子阱作為技術路線，他們最近發布的量子計算機包含32個量子比特，邏輯門保真度很高，量子體積超過百萬。而一年前，他們發布的量子計算機還只包含11個量子比特。一年提升3倍，這個發展速度還是很驚人的！根據IonQ公司CEO的說法，他們會每年讓量子比特的數目翻一倍。這樣到了2025年，離子阱量子計算機也可以達到1000個量子比特了。雖然這個新聞中沒有包含技術細節，但是在9月24日，arXiv上預印本的論文中，Monroe組用13個離子阱的量子計算機演示了量子糾錯算法。這個實驗平臺與IonQ公司用到的技術應該是大體相似的。離子阱量子計算機與超導量子計算機不同的地方在于，允許實現非緊鄰的量子邏輯門，這可以極大的降低算法的復雜性。

綜合各方消息，大概可以確認的是，到了2025年前后，我們可以做出一個量子比特數在1000個量級，兩量子比特的量子邏輯門保真度99.7%的量子計算機。量子糾錯和量子容錯操作應該可以在此平臺上得到演示與證明。而基于量子計算的一些初步的應用，也許就可以在此系統中得到演示或者驗證。在通往容錯量子計算的漫漫征途中，超導量子計算機、離子阱量子計算機、硅基量子點量子計算機等各種系統會相互競爭，共同促進量子計算機的快速發展。樂觀點估計，在2030年后，人們也許真能做出100萬個物理量子比特的量子計算機。

我兒子正在念小學，等他大學畢業開始工作，也許量子計算機程序員會成為他們那個時代最緊俏和吃香的職業。意識到這一點，我今天早飯時特意問了問他：以后想做量子計算程序員么？他表示完全聽不懂，他以后的理想是做一名外科醫生。好吧，外科醫生也很不錯，老鐵沒毛病！

編輯于 10-05

2.下一代網絡 量子互聯網

尹璋琦
首發《北京科技報》

自從1969年互聯網發明以來，它已經徹底地改變了人類的生活和社會形態。今后幾年隨著5G網絡技術的逐步普及，我們將會進入萬物互聯的新時代。很多人都很好奇，5G之后新一代的互聯網技術會是什么樣呢？是6G、7G網絡，還是什么別的么？

今年2月，美國白宮國家量子協調辦公室發布了美國政府的量子網絡戰略展望，7月底，美國能源部發布了美國量子互聯網的藍圖。今年5月，歐盟也發布了自身的量子互聯網戰略愿景?！傲孔踊ヂ摼W”成為了科技媒體上熱門的詞匯。這么多國家的政府都不約而同的對量子互聯網產生了濃厚的興趣，量子網絡很可能會是下一代網絡技術的關鍵。那什么是量子互聯網？請讓我從頭說起。

量子互聯網包含兩個關鍵詞：“量子”與“互聯網”。量子在這里指的是量子物理特有的規律。量子物理學是從20世紀初發展起來的一門學問。量子物理理論一經創立，就成功地解釋了原子發光光譜等問題，進而幫助人們深刻地理解了微觀世界物質運動的規律。只有掌握了這些規律，人們才能發明晶體管、半導體芯片以及大規模集成電路技術，用于制造功能越來越強大的電子計算機；基于量子物理，人們發明了激光并用于光纖通信，從而實現全球互聯網?？傊?#xff0c;量子物理學不僅是信息時代的基礎，也是全球互聯網的基礎。

互聯網出現四十多年，其容量、速度和廣度一直在迅猛發展。最開始互聯網的速度太慢，只適合傳輸文字信息，后來圖片，語音，視頻等都能通過網絡便捷地分享。今天通過移動互聯網，我們可以隨時隨地的拍攝一段視頻，并發布在網上。互聯網技術極大地提升人們的生活品質和社會的運行效率，但不可避免地也帶來了很多新的問題，比如網絡時代的信息安全問題，身份認證問題等。解決這些問題的通行辦法是密碼學家發明的公共密鑰協議。1994年，能夠高效破解RSA公共密鑰協議的Shor量子算法發明后，公共密鑰協議的安全性開始被動搖。幸好，1984年人們就發明了基于量子物理的BB84密碼協議，它的安全性完全由量子物理的基本特性所保證，不會被量子計算所攻破：量子的矛正好被量子的盾抵擋。

由BB84協議發展而來的量子保密通信技術，在過去的三十多年中得到了迅猛發展。最近十年，中國人在這項技術的發展中發揮了重要作用，比如墨子號量子衛星發射成功，京滬量子通信干線的建設等，都極大地直接推動了量子保密通信的應用落地，與現有的互聯網結合起來，保障用戶的信息安全。

既然量子物理與密碼學融合而來的量子保密通信技術，可極大地提升互聯網的信息安全。很自然的，我們會想，如果用量子技術對互聯網進行整體的升級，實現全量子的互聯網，也許就能做更多傳統互聯網做不了的事情。

那量子互聯網到底能做什么事情呢？首先，它可以用來傳遞量子信息。量子信息的基本單元是量子比特，如同經典量子比特那樣，它也有0和1兩個狀態，但同時遵循量子的規律，可以處于0和1的量子疊加態。最神奇的是，相聚遙遠的量子比特之間，還可以處于量子糾纏態。量子互聯網的基礎是量子隱形傳態（Quantum Teleportation）技術：它基于量子物理基本原理，利用量子糾纏作為資源和經典通信的輔助，不用移動承載量子信息的物質實體（比如說光子），就能實現相聚遙遠的兩點之間的量子信息的傳遞。由此可以預計，未來的量子互聯網運行時，也離不開經典信息網絡的輔助，量子互聯網與經典互聯網是并行不悖的。

其次，利用量子網絡還有望實現全新的傳感技術，在軍事國防上有重大的應用潛力。在量子互聯網上，利用相互糾纏的量子網絡節點，能夠帶來傳感靈敏度的極大提升，超越經典測量理論的極限。基于量子網絡可以實現更加精準的全球時鐘標準，使得網絡中不同節點間時鐘同步更加穩定，各個節點時鐘的誤差可以被實時測定并修正。利用量子糾纏作為資源，所實現的全球量子時鐘基準將會出現顛覆性的提升。不僅如此，基于量子網絡的時鐘基準，具有很高的安全性，能探測敵人對網絡節點的攻擊。利用量子網絡所實現的時間基準一旦用于北斗全球定位系統，將會極大的提升其授時、定位精度與安全性。我相信利用量子網絡實現全新的傳感方式將會是未來量子互聯網的重要應用。

建造量子互聯網的終極目標是實現分布式量子計算網絡。盡管量子計算機已經展現出超越經典計算機的能力，但是每個節點量子計算機能力始終是有限的，如果能用量子互聯網連接不同的量子計算節點，可以形成龐大的分布式量子計算機，極大地增加量子計算的能力。為了實現可靠的分布式量子計算，關鍵是在量子網絡上實現量子糾錯。總的來說，量子網絡在量子計算上的應用，目前還是著眼于基礎研究。

要實現大規模的量子網絡，進而實現全球量子互聯網和分布式量子計算，要解決的關鍵技術瓶頸是量子糾纏的長距離分發問題。我們都知道，量子糾纏一般是很脆弱的，如果把處于量子糾纏態的一對光子通過光纖朝兩個方向傳輸，量子糾纏很快就會隨著光子的泄露而完全丟失。為此，人們正在發展可以蒸餾和放大量子糾纏的技術，我們把它稱為量子中繼器。量子網絡終極的應用是實現分布式量子計算網絡。通常量子計算機中量子信息存儲在微波波段，而要連接相聚遙遠的量子計算機，需要我們實現量子信息在微波與光學波段之間的高效轉化，以及量子信息在網絡節點上的長時間存儲?？偟膩碚f，要實現全量子網絡，所需要突破的技術包括量子連接器、量子中繼器、量子存儲器等。

l 量子連接器：可以實現量子信息在微波與光學波段光子之間的高效轉化

l 量子中繼器：可以實現網絡節點之間量子糾纏的放大

l 量子存儲器：可以長時間的存儲量子信息

人們已經實現微波光子與光學光子的轉化，但僅限于經典信號，單量子水平的高效轉化還在研發中。要實現真正的量子連接器，目前主要問題在于轉化效率不夠高，以及轉化時噪聲太大。據我估計，5年內此技術應該可突破到單量子水準。實現量子中繼器的關鍵是量子糾纏分發。目前已實現相距幾十公里，通過光纖連接的兩個節點之間的量子糾纏分發（由中科大潘建偉團隊完成），糾纏放大的技術指標只差臨門一腳，就能邁向實用的量子中繼器。人們已經實現小時量級的量子存儲器，但需要超低溫環境，且無法對錯誤進行糾正。人們正在研發室溫下的長壽命量子存儲器，并利用量子糾錯技術糾正存儲中出現的錯誤。

雖然通向量子互聯網的道路上還存在很多障礙，但目前揭示出的量子互聯網的功能，已經讓人們神往不已。我相信，隨著技術的發展，量子互聯網的雛形將很快會出現，它將幫助人們深入地挖掘量子互聯網的能力與功能，量子互聯網更多顛覆性的應用，也許會不斷涌現。

發布于 08-24

總結

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