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量子计算机|到底什么是量子计算( 五 )


容错量子计算需要经典计算机的参与 。 特别是表面码的解码过程(也就是根据宇称查验的测量结果查找错误的过程) ， 需要消耗一定的经典计算资源 。 而且码距越大 ， 所需的计算资源越多 。 因此 ， 量子计算机不会简单取代经典计算机 ， 除非量子计算机在速度、成本特别是精确度等方面达到了经典计算机的水平 。
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量子计算的物理系统
我们已经发展出了众多可以用于量子计算的物理系统 ， 包括超导量子比特、囚禁离子、量子点、中性冷原子、光学量子计算和拓扑量子计算等 。 目前已经能够在实验中演示亚阈值的量子比特操作(包括初始化、量子门以及读取) 。 其中代表性的是2014 年在超导量子比特系统中实现了错误率大约0.6%的两量子比特门 ， 同年在囚禁离子系统中演示了错误率大约0.1%的两量子比特门 。 这些试验结果表明亚阈值的量子计算系统在技术上是可行的 。
我们主要关心的是两量子比特门 。 这是由于一般来说相较于其他操作 ， 两量子比特门的错误率更高 ， 并且在宇称查验中影响更大 。 在这些能够演示亚阈值操作的实验系统中 ， 量子比特数量都比较少 。 因此 ， 按照容错量子计算的方案 ， 量子纠错可以降低操作逻辑量子比特的错误率 ， 但目前还没有在实验中被成功演示 。 在接下来对实验系统的介绍中 ， 我们提到的量子比特均为物理量子比特 ， 而不是被纠错码保护的逻辑量子比特 。
超导量子比特系统——作为固态系统具有较好的可扩展性 。 2011 年D-Wave 发布的其第一台量子计算系统具有128 个量子比特 ， 至2017 年最新的系统已经具有2000 个量子比特[24] ， 体现了超导系统良好的可扩展性 。 但D-Wave 的系统是模拟(analog)量子计算系统 ， 不是本文主要讨论的基于量子线路的通用量子计算系统 。 在通用量子计算方面 ， 加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的超导量子计算实验室的9 量子比特系统可以实现错误率大约0.6%的两量子比特门[25] 。 2018 年Google 发布了基于相同设计的72 量子比特系统[26] 。 自2016 年起 ， IBM投入大量资源研发并提供开放的量子计算系统 ， 可以通过云访问 。 在其数个量子计算系统中 ， 最早的系统有5 个量子比特 ， 目前在线的系统最多有20 个量子比特 ， 两量子比特门错误率由大约1%到10%不等[27] 。
浙江大学(ZJU)的超导量子计算实验室可以在10 量子比特系统中实现错误率大约3%的两量子比特门 ， 并且两量子比特门可以在任意一对量子比特之间进行 ， 实现了全耦合[28] 。 基于相似的设计 ， 他们还研发了能够全耦合的20 量子比特系统[29] 。 中国科学技术大学(USTC)的超导量子计算实验室可以在12 量子比特系统中实现错误率大约5%的两量子比特门[30] 。 其最新的系统具有24 个量子比特[31] 。
囚禁离子系统——具有很高的精确度 ， 两量子比特门的错误率可以达到0.1%以下 ， 远远低于容错阈值 。 牛津大学(Oxford ， 2014 年)和美国国家标准技术研究所(NIST ， 2016 年)的囚禁离子实验室利用不同的离子分别成功演示了错误率大约0.1%的两量子比特门[32 ， 33] 。 然而 ， 这两个实验系统都仅有两个离子量子比特 。 2018 年 ， IonQ 发布了160 个量子比特的系统 ， 其技术可以在13 个量子比特的系统实现错误率2%以下的量子门[34] 。 清华大学(THU)的囚禁离子实验室目前可以囚禁5个离子量子比特并实现通用量子门 ， 在两量子比特系统中能够达到大约1%的两量子比特门错误率[35 ， 36] 。 一般认为通过增加单个离子阱中的离子个数来增加量子比特数量是不可扩展的 。 囚禁离子系统可以利用分段离子阱[37]或网络化的方式进行扩展 。
网络量子计算系统——网络化是扩展量子计算系统的一个方式[38] 。 对于囚禁离子系统 ， 可以利用光学系统将众多离子阱(节点)耦合起来 ， 每个节点仅需有少数几个离子量子比特(图6) 。 通过光子量子比特可以在不同的节点之间实现对离子量子比特的操作 ， 进而整个离子阱网络可以作为一个可扩展的量子计算系统使用 。 一般来说节点间操作错误率较高 。 理论研究表明 ， 只要节点内操作错误率显著低于1% ， 即使节点间操作错误率远远高于1% ， 仍然可以进行容错量子计算[39-41] 。 牛津大学网络量子信息技术中心以此为方案在发展离子阱网络量子计算机[42] 。
量子计算机|到底什么是量子计算
本文图片

图6 网络架构量子计算
网络化架构对于超导量子比特以及分段离子阱等系统同样具有意义 。 对于表面码量子计算 ， 理想的状况是制备一个足够大的二维量子比特阵列 ， 其中所有的近邻量子比特之间可以进行同样好的低错误率操作 。 但这样一个系统需要对量子比特的品质有很好的控制 ， 并且能够同时优化这个多体系统中的所有操作 。 而在网络化架构中 ， 通过牺牲一些操作的精确度以及部分量子纠错能力 ， 可以显著降低扩展系统的技术难度 。
光学量子计算系统——在超导量子比特或囚禁离子等系统中 ， 制备数百万的量子比特来实现容错量子计算是困难的 ， 在近期内难以实现 。 有一种量子比特相对来说容易制备 ， 也就是光量子比特 。 利用单光子源、线性光学器件以及单光子探测器可以实现通用量子计算[43] 。 虽然光量子比特相对容易制备 ， 但实现量子计算需要整合大量的光学器件 ， 不一定比其他系统的难度更低[44] 。 在光学量子计算和模拟方面 ， 中国科学技术大学的实验室能够实现18个光量子比特的量子纠缠态[45] 。


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