ETH量子計算機方向

1. 量子計算機技術概念

1998年美國和英國的牛津大學小組已在實驗室里製造出了最簡單的量子計算機。這種計算機與以往的計算機不同，與我們現在辦公桌上「龐大的」機器相比，它更象放在機器旁邊的咖啡杯。我們現在還無法確定未來的量子計算機究竟是什麼樣的，目前科學家們提出了幾種方案。第一種方案，也就是前面提到的「咖啡杯」量子計算機是核磁共振計算機。我們可以用自旋向上或向下表示量子位的0和1兩種狀態，那麼怎麼實現自旋狀態的控制非操作呢？在許多有機分子中，當其中一個原子的自旋處於不同狀態時，另外一個原子的自旋翻轉所需的能量或者說共振頻率也不同。如果我們把其中一個原子的自旋狀態當作控制位，另一個原子的自旋當作目標位，控制不同的共振頻率，就可以實現控制非操作。而它之所以更象一個咖啡杯，是由於這些有機分子(例如氯仿)被溶解於另外的有機溶液里。這些有機溶液與氯仿幾乎沒有相互作用，從而保證了量子態和環境的較好隔離。第二種方案是離子阱計算機。在這種計算機中，一系列自旋為1/2 的冷離子被禁錮在線性量子勢阱里，組成一個相對穩定的絕熱系統。與核磁共振計算機不同，這種量子計算機由激光來實現自旋翻轉的控制非操作。由於在這種系統中，去相干效應在整個計算中幾乎可以忽略，而且很容易在任意離子之間實現n位量子門。還有一種方案是硅基半導體量子計算機。在高純度硅中摻雜自旋為1/2 的離子實現存儲信息的量子位，由絕緣物質實現量子態的隔絕，硅基半導體量子計算機與經典計算機一樣建立在半導體技術的發展基礎上，因此有著巨大的誘惑力。此外還有線性光學方案，腔量子動力學方案等。

量子計算機的運作過程也必需由時序控制，而目前的量子邏輯門的運算速度比經典計算機邏輯門運算速度慢得多。為了獲得最快的運算速度，未來的計算機可能要把兩種計算機聯合起來：經典計算機控制時鍾序列，量子計算機控制運算部分。無論採用哪一種方案，也不管未來量子計算機到底會是什麼樣子，量子計算機的研製都需要把當今最前導的微觀物理技術，如激光、生物物理、單個原子探測與控制、半導體技術和計算機技術結合起來。因此，量子計算機的研製和發展必定會對現代物理技術和計算機技術起推動作用。同時，由於量子計算機強大的模擬功能和運算能力，量子計算機的出現必然會使我們對量子力學理論和微觀世界的本質有更深刻的了解。目前世界各個發達國家都投入了大量的人力和物力進行量子計算機的研究。量子計算機不但於未來的計算機產業的發展緊密相關，更重要的是它與國家的保密、電子銀行、軍事和通訊等重要領域密切相關。量子計算機結合了二十世記許多傑出的發現和成果，實現量子計算機是二十一世紀科學技術的最重要的目標之一。

2. 量子計算機的原理

普通的數字計算機在0和1的二進制系統上運行，稱為「比特」（bit）。但量子計算機要遠遠更為強大。它們可以在量子比特（qubit）上運算，可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉，於是它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。

常識告訴我們：原子的旋轉可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態的總和，一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。在量子的奇妙世界中，每一種物體都被使用所有不可思議狀態的總和來描述。

想像一串原子排列在一個磁場中，以相同的方式旋轉。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會躍下這組原子，迅速翻轉一些原子的旋轉軸。通過測量進入的和離開的激光束的差異，我們已經完成了一次復雜的量子「計算」，涉及了許多自旋的快速移動。

從數學抽象上看，量子計算機執行以集合為基本運算單元的計算，普通計算機執行以元素為基本運算單元的計算（如果集合中只有一個元素，量子計算與經典計算沒有區別）。

以函數y=f(x)，x∈A為例。量子計算的輸入參數是定義域A，一步到位得到輸出值域B，即B=f(A)；經典計算的輸入參數是x，得到輸出值y，要多次計算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。

量子計算機有一個待解決的問題，即輸出值域B只能隨機取出一個有效值y。雖然通過將不希望的輸出導向空集的方法，已使輸出集B中的元素遠少於輸入集A中的元素，但當需要取出全部有效值時仍需要多次計算。

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2017年5月，中國科學院宣布製造出世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機，研發了10比特超導量子線路樣品，通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特多體純糾纏，並通過層析測量方法完整地刻畫了十比特量子態。

此原型機的「玻色取樣」速度比國際同行之前所有實驗機加快至少24000倍，比人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍，雖然還是緩慢但已經逐步跨入實用價值階段。

2017年7月，美國研究人員宣布完成51個量子比特的量子計算機模擬器[23]。哈佛大學米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）在莫斯科量子技術國際會議上宣布這一消息。量子模擬器使用了激光冷卻的原子，並使用激光將原子固定。

2018年6月，英特爾宣布開發出新款量子晶元，使用五十奈米的量子比特做運算，並已在攝氏零下273度的極低溫度中進行測試。