1900年 Max Planck 提出“量子”概念，宣告了“量子”時代的誕生?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，微觀粒子有著與宏觀世界的物理客體完全不同的特性。宏觀世界的物理客體，要么是粒子，要么是波動，它們遵從經(jīng)典物理學(xué)的運動規(guī)律，而微觀世界的所有粒子卻同時具有粒子性和波動性，它們顯然不遵從經(jīng)典物理學(xué)的運動規(guī)律。20世紀(jì)20年代，一批年輕的天才物理學(xué)家建立了支配著微觀粒子運動規(guī)律的新理論，這便是量子力學(xué)。近百年來，凡是量子力學(xué)預(yù)言的都被實驗所證實，人們公認，量子力學(xué)是人類迄今最成功的理論。

第二次量子革命

我們將物理世界分成兩類：凡是遵從經(jīng)典物理學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為經(jīng)典世界；而遵從量子力學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為量子世界。這兩個物理世界有著絕然不同的特性，經(jīng)典世界中物理客體每個時刻的狀態(tài)和物理量都是確定的，而量子世界的物理客體的狀態(tài)和物理量都是不確定的。概率性是量子世界區(qū)別于經(jīng)典世界的本質(zhì)特征。量子力學(xué)的成功不僅體現(xiàn)在迄今量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學(xué)的現(xiàn)象，事實上，?正是量子力學(xué)催生了現(xiàn)代的信息技術(shù)，造就人類社會的繁榮昌盛。信息領(lǐng)域的核心技術(shù)是電腦和互聯(lián)網(wǎng)。

量子力學(xué)的能帶理論是晶體管運行的物理基礎(chǔ)，晶體管是各種各樣芯片的基本單元。光的量子輻射理論是激光誕生的基本原理，而正是該技術(shù)的發(fā)展才產(chǎn)生當(dāng)下無處不在的互聯(lián)網(wǎng)。然而，晶體管和激光器卻是經(jīng)典器件，因為它們遵從經(jīng)典物理的運行規(guī)律。因此，現(xiàn)在的信息技術(shù)本質(zhì)上是源于量子力學(xué)的經(jīng)典技術(shù)。

20世紀(jì)80年代，科學(xué)家將量子力學(xué)應(yīng)用到信息領(lǐng)域，從而誕生了量子信息技術(shù)，諸如量子計算機、量子密碼、量子傳感等。這些技術(shù)的運行規(guī)律遵從量子力學(xué)，因此不僅其原理是量子力學(xué)，器件本身也遵從量子力學(xué)，這些器件應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等，因而其信息功能遠遠優(yōu)于相應(yīng)的經(jīng)典技術(shù)。量子信息技術(shù)突破了經(jīng)典技術(shù)的物理極限，開辟了信息技術(shù)發(fā)展的新方向。一旦量子技術(shù)獲得廣泛的實際應(yīng)用，人類社會生產(chǎn)力將邁進到新階段。因此，我們將量子信息的誕生稱為第二次量子革命，而基于量子力學(xué)研制出的經(jīng)典技術(shù)，稱之為第一次量子革命。量子信息技術(shù)就是未來人類社會的新一代技術(shù)。

量子網(wǎng)絡(luò)

量子信息技術(shù)最終的發(fā)展目標(biāo)就是研制成功量子網(wǎng)絡(luò)。量子網(wǎng)絡(luò)基本要素包括量子節(jié)點和量子信道。所有節(jié)點通過量子糾纏相互連接，遠程信道需要量子中繼。量子網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸和處理融合在一起，量子節(jié)點用于存儲和處理量子信息，量子信道用于各節(jié)點之間的量子信息傳送。與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比，量子網(wǎng)絡(luò)中信息的存儲和傳輸過程更加安全，信息的處理更加高效，有著更加強大的信息功能。量子節(jié)點包括通用量子計算機、專用量子計算機、量子傳感器和量子密鑰裝置等。應(yīng)用不同量子節(jié)點將構(gòu)成不同功能的量子網(wǎng)絡(luò)。

典型的有：

1、由通用量子計算機作為量子節(jié)點，將構(gòu)成量子云計算平臺，其運算能力將強大無比；

2、使用專用量子計算機作為量子節(jié)點可以構(gòu)成分布式量子計算，其信息功能等同于通用量子計算機。亦即應(yīng)用這種方法可以從若干比特數(shù)較少的量子節(jié)點采用糾纏通道連接起來，可以構(gòu)成等效的通用量子計算機；

3、量子節(jié)點是量子傳感器，所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是高精度的量子傳感網(wǎng)絡(luò)，也可以是量子同步時鐘；

4、量子節(jié)點是量子密鑰裝置，所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是量子密鑰分配(QKD)網(wǎng)絡(luò)，可以用于安全的量子保密通信。

當(dāng)然，單個量子節(jié)點本身就是量子器件，也會有許多應(yīng)用場景，量子網(wǎng)絡(luò)就是這些量子器件的集成，其信息功能將得到巨大提升，應(yīng)用更廣泛。

上述的量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的遠景，當(dāng)前距離這個遠景的實現(xiàn)還相當(dāng)遙遠。不僅尚無哪種類型量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)演示成功，即使是單個量子節(jié)點的量子器件也仍處于研制階段，距離實際的應(yīng)用仍有著很長的路要走。即便是單個量子節(jié)點研制成功，要將若干量子節(jié)點通過糾纏信道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)也極其困難——通常采用光纖作為量子信息傳輸?shù)耐ǖ?，量子?jié)點的量子信息必須能強耦合到光纖通信波長的光子上，該光子到達下個量子節(jié)點處再強耦合到該節(jié)點工作波長的量子比特上，任何節(jié)點之間最終均可實現(xiàn)強耦合、高保真度的相干操控，只有這樣才能實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的信息功能。目前，連接多個節(jié)點的量子界面仍然處于基礎(chǔ)研究階段。

至于遠程的量子通道，必須有量子中繼才能實現(xiàn)，而量子中繼的研制又依賴于高速確定性糾纏光源和可實用性量子存儲器的研究，所有這些核心器件仍然處于基礎(chǔ)研究階段，離實際應(yīng)用還很遠。因此整個量子信息技術(shù)領(lǐng)域仍然處于初期研究階段，實際應(yīng)用還有待時日。

那么，量子信息技術(shù)時代何時到來？量子計算機是量子信息技術(shù)中最有標(biāo)志性的顛覆性技術(shù)，只有當(dāng)通用量子計算機獲得廣泛實際應(yīng)用之時，我們才可斷言人類社會已進入量子技術(shù)新時代。

量子計算機

經(jīng)典計算機按照摩爾定律迅速發(fā)展每18個月，其運算速度翻一番

20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家卻提出“摩爾定律是否會終結(jié)”這個不受人歡迎的命題，并著手開展研究。最后竟然得出結(jié)論：摩爾定律必定會終結(jié)。理由是，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度——即單位芯片面積的晶體管數(shù)目。但這個技術(shù)基礎(chǔ)受到兩個主要物理限制：一是由于非可逆門操作會丟失大量比特，并轉(zhuǎn)化為熱量，最終會燒穿電子芯片，這也是當(dāng)下大型超算中心遇到的巨大能耗困難所在；二是終極的運算單元是單電子晶體管，而單電子的量子效應(yīng)將影響芯片的正常工作，使計算機運算速度無法如預(yù)料的提高。

物理學(xué)家的研究結(jié)果并不影響當(dāng)時摩爾定律的運行，多數(shù)學(xué)者甚至認為物理學(xué)家是杞人憂天。然而物理學(xué)家并未停止腳步，著手研究第2個問題：摩爾定律失效后，如何進一步提高信息處理的速度——即后摩爾時代提高運算速度的途徑是什么？研究結(jié)果誕生了“量子計算”的概念。

1982年美國物理學(xué)家Feynman指出，在經(jīng)典計算機上模擬量子力學(xué)系統(tǒng)運行存在著本質(zhì)性困難，但如果可以構(gòu)造一種用量子體系為框架的裝置來實現(xiàn)量子模擬就容易得多。隨后英國物理學(xué)家Deutsch提出“量子圖靈機”概念，“量子圖靈機”可等效為量子電路模型。從此，“量子計算機”的研究便在學(xué)術(shù)界逐漸引起人們的關(guān)注。

1994年Shor提出了量子并行算法，證明量子計算可以求解“大數(shù)因子分解”難題，從而攻破廣泛使用的RSA公鑰體系，量子計算機才引起廣泛重視。Shor并行算法是量子計算領(lǐng)域的里程碑工作。進入21世紀(jì)，學(xué)術(shù)界逐漸取得共識：摩爾定律必定會終結(jié)，因此，后摩爾時代的新技術(shù)便成為熱門研究課題，量子計算無疑是最有力的競爭者。

量子計算應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有并行計算的能力，可以將某些在電子計算機上指數(shù)增長復(fù)雜度的問題變?yōu)槎囗検皆鲩L復(fù)雜度，亦即電子計算機上某些難解的問題在量子計算機上變成易解問題。量子計算機為人類社會提供運算能力強大無比的新的信息處理工具，因此稱之為未來的顛覆性技術(shù)。量子計算機的運算能力同電子計算機相比，等同于電子計算機的運算能力同算盤相比?？梢娨坏┝孔佑嬎愕玫綇V泛應(yīng)用，人類社會各個領(lǐng)域都將會發(fā)生翻天覆地的變化。

量子計算的運算單元稱為量子比特，它是0和1兩個狀態(tài)的疊加。量子疊加態(tài)是量子世界獨有的，因此，量子信息的制備、處理和探測等都必須遵從量子力學(xué)的運行規(guī)律。量子計算機的工作原理如圖1所示。

圖1??量子計算機的工作原理

量子計算機與電子計算機一樣，用于解決某種數(shù)學(xué)問題，因此它的輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出都是普通的數(shù)據(jù)。區(qū)別在于處理數(shù)據(jù)的方法本質(zhì)上不同。量子計算機將經(jīng)典數(shù)據(jù)制備在量子計算機整個系統(tǒng)的初始量子態(tài)上，經(jīng)由幺正操作變成量子計算系統(tǒng)的末態(tài)，對末態(tài)實施量子測量，便輸出運算結(jié)果。圖1中虛框內(nèi)都是按照量子力學(xué)規(guī)律運行的。圖中的幺正操作(U操作)是信息處理的核心，如何確定U操作呢？首先選擇適合于待求解問題的量子算法，然后將該算法按照量子編程的原則轉(zhuǎn)換為控制量子芯片中量子比特的指令程序，從而實現(xiàn)了U操作的功能。量子計算機的實際操作過程如圖2所示。

圖2??量子計算機的實際操作過程

給定問題及相關(guān)數(shù)據(jù)，科學(xué)家設(shè)計相應(yīng)的量子算法，進而開發(fā)量子軟件實現(xiàn)量子算法，然后進行量子編程將算法思想轉(zhuǎn)化為量子計算機硬件能識別的一條條指令，這些指令隨后發(fā)送至量子計算機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實施對量子芯片系統(tǒng)的操控，操控結(jié)束后，量子測量的數(shù)據(jù)再反饋給量子控制系統(tǒng)，最終傳送到工作人員的電腦上。

圖3?單雙量子比特門

量子邏輯電路是用于實現(xiàn)U變換的操作，任何復(fù)雜的U操作都可以拆解為單量子比特門Ui和雙量子比特門Ujk的某種組合(即可拆解定理)，Ui和Ujk是最簡單的普適邏輯門集。典型的單雙比特門如圖3所示。

基于量子圖靈機(量子邏輯電路)的量子計算稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計算，現(xiàn)在還在研究的其他量子計算模型還有：單向量子計算、拓撲量子計算和絕熱量子計算(量子退火算法)等。

量子計算機是宏觀尺度的量子器件，環(huán)境不可避免會導(dǎo)致量子相干性的消失(即消相干)，這是量子計算機研究的主要障礙?！傲孔泳幋a”用于克服環(huán)境的消相干，它增加信息的冗余度，用若干物理量子比特來編碼一個邏輯比特(信息處理的單元)。業(yè)已證明，采用起碼5個量子比特編碼、1個邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯誤。量子計算機實際應(yīng)用存在另一類嚴(yán)重的錯誤，這種錯誤來源于非理想的量子操作，包括門操作和編碼的操作?？茖W(xué)家提出容錯編碼原理來糾正這類錯誤，該原理指出，在所有量子操作都可能出錯的情況下，仍然能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)糾正回理想的狀態(tài)。這涉及到“容錯閾值定理”，即只有量子操作的出錯率低于某個閾值，才能實現(xiàn)量子容錯。容錯閾值與量子計算的實際構(gòu)型有關(guān)，在一維或準(zhǔn)一維的模型中，容錯的閾值為105，在二維情況(采用表面碼來編碼比特)，閾值為102。經(jīng)過科學(xué)家十多年的努力，現(xiàn)在離子阱和超導(dǎo)系統(tǒng)的單雙比特操作精度已經(jīng)達到這個閾值。這個進展極大地刺激了人們對量子計算機研制的熱情，量子計算機的實現(xiàn)不再是遙不可及的。量子計算機的研制逐步走出實驗室，成為國際上各大企業(yè)追逐的目標(biāo)。

編輯：黃飛

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