量子计算的现状及发展趋势
1 引 言
量子计算机概括地讲，就是利用“隧道效应”等已知的量子力学效应来实现的超级并行计算机。在传统计算机上需要花费数年进行的计算放在量子计算机上可能只用数个毫秒就能完成。在向普通计算机输入数据时，在一个瞬间只能输入16 位或32 位等2 进制的数据段。从位数来看，输入的只能是0 或者1。区分并控制0 与1 只能利用晶体管等组件。与此相反，量子计算机可以同时大批量地输入0 与1。相当于晶体管的就是量子位（qubit：昆比特）。量子位有N 个，利用它们之间名为“entanglement（纠缠）”的相互作用状态，可同时输入的数据就有2N 个。假如量子位有40 个的话，就可以同时在1 组运算电路上计算约1 万亿个输入参量。而普通计算机是不可能将1 万亿台联接起来进行并行运算的。科学家们认为如果在技术上仍然遵循摩尔定律，那么硅片上的集成电路最终将会缩小到不能再缩小的极限，即那些独立的组件只有几个原子这么大。这导致了一个问题的出现，因为在原子级上支配着电路的行为和性质的物理规律是量子力学，而不是经典物理定律。这就提出了一个问题：能否设计以量子物理原理为基础的计算机。加利福尼亚理工学院的Richard P. Feynman在1982 年建立了一个抽象模型，该模型显示了如何利用量子系统执行计算。他还解释了这类机器如何用做量子物理学的模拟器进行运算。这意味着一位物理学家将能够在一台量子计算机内完成对量子物理学实验的模拟。1985 年，牛津大学的David Deutsch 发表了一篇非常重要的论文。他在论文中证明，任何物理过程原则上都能很好地被量子计算机模拟。因此，量子计算机具有超过那些传统计算机的潜力。1994 年，AT&T 公司的Peter Shor 博士在一篇论文中提出了一种利用量子计算机解决一项重要数论问题的方法，即大数分解。他证明一套专为量子计算机设计的数学运算可使这种机器以快的速度分解巨大的数字，速度比传统计算机快得多。随着这个突破，对量子计算机的兴趣不再仅仅局限于学术界，而是引起了世界的广泛兴趣。由于量子特性在信息领域中的独特功能，在增大信息容量、提高运算速度、确保信息安全等方面将突破现有传统信息系统的极限，量子计算科学在过去几年的发展可以用突飞猛进来形容。
2 量子计算的现状
2.1 量子计算的主要研究计划
量子计算机具有巨大应用前景和市场潜力，因此各国政府和公司制定了一系列针对量子计算的研发计划。首先，量子计算机受到美国军方的高度重视。
美国的DARPA（高级研究计划局）制定了一个名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划，并于2004 年4 月2 日发表了2.0 版（1.0 版于2002·6· 高性能计算技术 2005 年年12 月发表）。该计划详细介绍了美国发展量子计算的主要步骤和时间表，其目标就是在2012年前开发出各种复杂的量子技术以满足结构和不同算法的需求。从该计划中我们可以看出，美国准备从核磁共振量子计算、离子陷阱量子计算（ion trap quantum computation）、中性原子量子计算（neutral atom quantum computation）、谐振量子
电子动态计算（cavity quantum electro-dynamiccomputation ）、光量子计算（ optical quantumcomputation ）、固态量子计算（ solid quantumcomputation ）、超导量子计算（ superconductingquantum computation）和“独特”量子位（如液态氦上的电子等）量子计算等方面进行研究开发。通过这些研究，美国争取在2007 年研制成10 个物理量子位的计算机，在2012 年研制成50 个物理量子位的计算机。美国陆军则计划到2020 年装备量子计算机。
此外，美国一些科学和国防机构也制定了详细的相关计划。如国家安全局的ARDA5（Advanced Research and Development Activity）计划、NSF 的Quantum and Biologically InspiredComputing（QuBIC） 计划、美国宇航局JPL 的Quantum Computing Technology Group 计划和NISTPhysics Laboratory, Quantum Information 计划等。
欧洲也在积极研究开发量子计算及量子加密。在已经完成的第五个框架计划（5th frameworkproject）中，欧洲委员会耗资248 万欧元已经完成对不同量子系统（如原子、离子和谐振）的离散和纠缠的研究；耗资117 万欧元完成对量子算法及信息处理的研究。在第六个框架计划（6thframework project）中，欧洲委员会对于量子算法和加密着重进行研究。其子计划——基于量子加密的安全通讯全局网络开发计划，耗资1471 万欧元，预计到2008 年研制成功高可靠、远距离量子数据加密技术。
日本早在2000 年10 月就开始了为期5 年的量子计算与信息计划（quantum computation andinformation project），重点研究量子计算和量子通讯的复杂性、设计新的量子算法、开发健壮的量子电路、找出量子自控的有用特性以及开发量子计算模拟器。
2.2 量子计算的主要研究成果
量子计算在20 多年的研究发展过程中，取得了较大的进展。尤其是最近几年，实验室一级的科研成果不断涌现。自1995 年以来，已提出的量子计算机的方案主要包括利用原子和光腔相互作用（ CavityQED）、冷束缚离子系统（Trapped Ions）、电子或核自旋共振（NMR）、量子点（Quantum Dots）、超导约瑟芬森结（Josephson-Junction）及光子晶格（PhotonicLattice）等量子系统。在美国，2001 年IBM 公司阿曼顿实验室的科学家已建构了7 位的核磁共振量子计算机。IBM的实验把原子变为离子，并使用离子的两个内部自转状态作为一个Qubit。然后使用微波脉冲作为地址。但NMR 方法还不能生成15 个以上的Qubit。IBM 还在开发更有前途的固态器件技术。NEC 于1999 年通过使用Josephson 连接制造了一个超导单电子盒， 从而证明了一个固态Qubit。但由于需要Qubit 更长的一致时间，所以用于实际的量子计算还有很长的路要走。2003 年2 月，NEC 与日本的物理和化学研究所合作，成功制造了第一个固态“集成”电路（包含两个连接着电荷的Qubit）。
2000 年，日本日立公司开发成功一种量子组件——“单个电子晶体管”，可以控制单个电子的运动，具有体积小，功耗低的特点，比目前功耗最小的晶体管低约1000 倍。2004 年9 月，NTT 物性科学基础研究所试制出最有希望成为量子计算机基本组件的“超导磁束量子位”，在通过微波照射大幅度提高比特控制自由度的同时，组件的工作频率也成功地提高到了原来的10 倍～100 倍。与其它候选的基本单元相比，超导磁束量子位具有量子状态容易持续保持、易于集成等优势。但此前由于控制手段的局限，在控制状态下的持续时间非常短。此次则消除了这一局限。这样一来，就有望实现利用多个组件同时处理多项信息的量子纠缠（ QuantumEntanglement）、进而实现构成AND 与OXR 等基本电路的控制NOT 门。此次用于比特控制的是能量比光更低的微波，但仍能很好地控制能量跃迁的幅度，因此也为光控制的应用开辟了道路。即将光通信与此次开发的单元组合起来，如通过光纤网络就可以实现量子计算机间的协作。英国南安普顿大学的计算教授Tony Hey 使用其自己安装在底板上的4×4 Hadarmard 控制非门证明了Grover 的研究算法，并解释了16 个Qubit 如何相当于16 个电子。我国科学家也在积极开展这方面的研究工第1 期 陆晓亮等：量子计算的现状及发展趋势 ·7·作，《自然》杂志2004 年发表了中国科技大学潘建伟教授等完成的重大研究成果：五粒子纠缠态
以及终端开放的量子态隐性传输的试验成功，在国际上首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵，在世界上率先实现了五个粒子的量子互动传输。在量子密码学（quantum cryptography）研究上，西欧、美国和日本进展最快。英国于1993年首先在光纤传输长度为10 公里中实现光子相位编码量子译码钥分发。1997 年，美国Los Alamos国家实验室创造了光纤量子密码通讯距离的新纪录，成功地在长达48 公里的地下光缆中传送量子密码本。1999 年，瑞典和日本合作，在光纤中成功地进行了40 公里长的量子密码通讯实验。日本三菱电机公司2004 年11 月宣布，研究人员用防盗量子密码技术传送信息获得成功，其传递距离可达87 公里，打破了Los Alamos 实验室创造的48 公里的记录。这家公司说，这一距离为量子密码技术实用化提供了可能，对提高国防和金融通信系统的安全性大有帮助。在量子隐形传输（quantum teleportation）方面，1997 年，奥地利学者在国际上首次实现了未知量子态的远距传输，成功地将一个量子态从甲地的极化光子传送到乙地的极化光子上。1998 年，美国加州理工学院的H. J. Kimble 和合作者用光的压缩态（squeezed state），成功地将一束光从一个房间转移到另一个房间，为量子隐形传输跨出了革命性的一步。2000 年我国在850 纳米的单模光纤中也完成了量子密码通讯示范性实验。2004 年6 月3 日，马萨诸塞州剑桥的美国BBN 科技公司与美国哈佛大学日前合作构筑了一个量子密码网络“DARPA 量子网络”，并使用光纤成功实现了该网络的相互连接。DARPA 量子网络由于采用量子密码生成的密钥对信息进行编解码，即使是采用开放式网络通信，也能够确保极高的安全性。这种网络的实现尚属全球首次。这些成就使人们认识到用量子态作为信息载体，通过量子态完成大容量信息的瞬间传输，并为实现原则上不可破解的量子保密通讯提供了可行性的示范，同时也开辟了量子科技更为广泛，前景更为诱人的应用领域。从上述各国计划和研究成果中可以看出，量子计算与通信研究越来越受到重视。西欧、美国和日本在量子科学的研究上具世界领先水平，计划严密，投入很大，发展速度加快，研究成果越来越具有实际意义。这些应引起我们的充分注意，并认真研究对策。
3 量子计算的关键技术和挑战
目前，量子计算机的研发主要涉及如下三项关键技术：量子编码、量子算法和量子硬件技术。
3.1 量子编码
量子编码用于解决可靠性、纠错、避错、防错问题。量子信息论中，信息的载体不再是经典比特，而是一个一般的二态量子体系，这二态量子体系，可以是一个二能级的原子或离子，也可以是一自旋为1/2 的粒子或具有两个偏振方向的光子，所有这些体系，均称为量子比特。区别于经典比特，量子比特可以处于0、1 两个本征态的任意叠加态，而且在对量子比特的操作过程中，两态的叠加振幅可以相互干涉，这就是所谓的量子相干性。已经发现，在量子信息论的各个领域，包括量子计算机、量子密码术和量子通信等，量子相干性都起着本质性的作用。可以说，量子信息论的所有优越性均来自量子相干性。但受环境的影响，量子状态（superposition：叠加态）十分不稳定，不管是外部噪音还是观测都会形成对量子状态的干涉，使存储在量子计算机内的信息崩溃，导致计算错误。比如，当观测一个量子状态时，该状态会立即塌陷为某个确定传值（0 或1）。这种现象在量子物理上叫做脱散（decoherence），是量子的固有性质。由此可见，量子计算非常脆弱，非常容易出错，并且随着机器规模的增大，计算的可靠性急剧下降，使制造规模大的量子计算机变十分困难，研究人员必须设计一种方法，将脱散和其它潜在错误源控制在可接受的水平。这就是困扰整个量子信息论的消相干问题。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其适用范围广，但效率不高。量子避错码和量子防错码有别于量子纠错编码，这些方案防错而不纠错，它们本质性地利用了量子比特消相干过程中的合作效应。量子编码是信息论领域一个激动人心的进展。通过量子编码，人们看到了克服消相干的希望，从而使得量子计算机和量子传输等可以从梦·8· 高性能计算技术 2005 年想变为现实。
3.2 量子算法
量子算法是加速运算的关键（主要不靠器件速度与集成度）。到目前为止，人们才找到两个比较成功的量子算法：Shor 算法和Grover 算法。未来还需要更多能解决实际重大问题的量子算法，以证明在哪些问题上量子计算机的确比传统计算机要优越。AT&T 公司的Peter W. Shor 在1995 年写下了一个量子算法，使得完成一个n 位大数的因子分解所用的计算步数只是n 的多项式函数，而不是n 的指数函数。这个被称为“Shor 大数因子化”的量子算法，充分发挥了量子并行性的强大作用，原则上可以在一年左右的时间内分解一个400 位大数。由于现有的加密系统大多是建立在大数难于分解的基础之上，如果人们能够在实际中实现“Shor 大数因子化”的量子算法，现有RSA 保密体制完成的任何加密就会被解密。因此，量子计算会对由传统密码体系保护的信息安全构成致命打击，对现有保密通讯提出严峻挑战。表现量子计算独特能力的另一项算法，是贝尔实验室的L. K. Grover 设计的量子搜索算法。计算机在搜索藏在有n 个对象的数据库中的一个特定的对象时，经典的搜索过程要比较每一个对象,平均说来需要进行n/2 次尝试才有较大的可能找到那个对象。经典搜索的一个日常生活的例子是在一个按人名索引的、共有Ｎ个人的电话簿里，找到确定号码的人，通常要找Ｏ（Ｎ）次才能成功。Grover 把它换成量子力学问题就是：对于Ｎ个态的均匀相干叠加，通过若干次基本的么正变换可以把其中一个特定分量的几率放大为１。Grover 的量子搜索可以通过大约根号N 次尝试就找出所需的对象。
3.3 量子硬件
近几年，科学界已研发了多种量子器件，新品迭出，为量子计算机的研制创造了条件。这些量子器件有如下种类：
（1）量子晶体管
量子晶体管样管根据量子物理学的基本原理研制成功的。它利用电子高速运动产生的隧道作用，使电子突破在经典物理学中无法逾越的能量界限，来实现晶体管的开关效应，并可以用特定频率的光来进行开关控制。在一个普通的晶体管里，上万个电子路径是由一个电子开关控制的；而在量子晶体管里，电子被永久性的封闭所阻挡。然而，当所有的电子具有相同的能量时，只要有效地打开晶体管，电子就能以高速穿过封闭门。目前量子晶体管已经可以批量生产，量子晶体管是未来量子计算机和通信系统的组件之一。如果采用量子晶体管制造计算机，这种量子计算机的速度按照保守估计也至少比目前的计算机快10倍。目前，科学家研制的量子晶体管是在-200℃的条件下工作的。科学家们表示有望在2004 年年底获得突破，使量子晶体管能够在常温下工作。
（2）量子存储器
研制量子存储器是实现量子计算机的重中之重。美国密歇根大学的物理学家在L.K.格罗夫理论的基础上创建了一个以原子量子相来存储和检索数据的数据库。在密歇根大学的实验中，计算机将数据随机赋值给一个铯原子中的一个量子态。使用超强激光脉冲，将信息存储在被赋值的量子态中，用不了1 纳秒，即十亿分之一秒，同一原子被第2 个激光脉冲击中，放大倒转的量子态并抑制波包中所有其它的状态，从而给存储的数据定了位。这种量子数据库存储器将成为一种比电子计算机的二进制更快、更高级的数据存储和检索方法。因为量子力学规则允许同时搜索许多位置。根据这种思路，科学家们正在考虑采用量子粒子的自旋作为存储媒体，如果这种探索获得成功，那么，量子存储器将成为21 世纪初一种极具市场潜力的新款存储器。
（3）量子阱激光器
近年来，科学家们将量子阱技术应用于半导体激光器的研制。量子阱结构的引入，使半导体激光器的温度特性得到极大的改善。科学家们采用先进的半导体外延生长工艺，将厚度只有几十个原子层的半导体发光材料用作量子阱，使其交替生长在作为量子势垒的光限制材料之间，从而发生一系列的量子限制效应。实验表明，采用直径小于20 纳米的一堆物质构成或者大约相当于60 个硅原子排成一串的长度的量子点，能够控制非常小的电子群的运动，并且不与奇异的量子效应发生矛盾。因此，量子阱激光器能够在较宽的范围内正常工作，具有广阔的市场前景。
（4）量子效应器件
量子效应器件的研制是从1985 年开始的，十多年来，科学家们克服了重重困难，在量子效应器件的研制方面取得了突破性的进展。虽然量子第1 期 陆晓亮等：量子计算的现状及发展趋势 ·9·效应器件的制造方法是多种多样的，但其原理基本上相同，都无一例外地采用电子拥挤控制。量子效应晶体管用一个“岛”取代场效应晶体管的沟道，通过一种薄层材料与源极和漏极隔离。场效应晶体管的沟道像源极和漏极之间的一根导管，当晶体管导通时，它让电子通过。从另外的角度来看，“岛”也像两个旋转栅门之间的缝隙，限制了电子通行的空间。旋转栅门作为隔离材料层，只允许电子低速通过，在某些情况下一次只让一个电子通过。在量子效应器件中，一类是“单电子晶体管”，它可以有一个电子开关；另一类是共振隧道晶体管，它的优越性是：代替简单的“开”或“关”，它在开关之间有很多不同的状态，它可以只采用一个共振隧道晶体管代替十几个常规的晶体管。NTT 公司表示，可以制造出集成1000个单电子晶体管的芯片，2015 年左右达到实用化水平，为制作低功耗、超微型PC 等电子新产品提供高性能的量子效应组件。量子信息处理的领域虽然已经取得了大量的极有希望的进展，但是，一些阻止“制造”能够与现代数字计算机抗衡的量子计算机的潜在的巨大障碍依然存在。目前实现量子计算机的困难主要是：量子器件最多只做到7 个量子位，目前没有一种技术具有可扩展性，即没有找到制作大位数量子芯片的办法；实现量子计算原理上已无障碍，但尚未掌握制备与操纵量子态的技术。
4 结 束 语
量子计算机研究中最突出的特点是物理学的原理和计算机科学的交融和相互促进。计算机不再是一个抽象的数学模型，物理原理对计算机计算能力和效率的限制愈来愈引起人们的重视。自从Shor 提出大数的因子分解的量子算法后，基于量子并行处理的一些超快速算法接连地被发现，现在已形成一门新的研究领域：量子复杂性理论。另一方面，量子计算机中消相干的克服，在理论上和实验上都是人们最关注的问题，量子纠错方案被寄予高度厚望。与量子计算理论上的突飞猛进相比，量子计算机的实验方案还很初步。现在的实验只制备出单个的量子逻辑门，远未达到实现计算所需要的逻辑门网络。实验物理学家正在寻找更有效的制备途径，以克服消相干并实现逻辑门的级联。理论上虽然已提出各种量子纠错码，但在实验上如何利用量子编码来有效地克服消相干，这还是一个富于挑战性的问题。总体来讲，实现量子计算，已经不存在原则性的困难。按照现在的发展速度，可以比较肯定地预计，在2020 年前后，量子通信和量子计算机在技术上将出现实用化前景。虽然道路曲折，但量子计算机一定会成为现实。
参 考 文 献
[1] A Quantum Information Science and Technology
Roadmap. ARDA，LA-UR-04-1778
[2] 段路明，郭光灿. 量子信息讲座. 中国科学技术大学
物理系，非线性科学中心，2003
[3] Marco A. Barreno. The Future of Cryptography Under
Quantum Computers. 2002-07
[4] 计算机世界报. 2004（28）：B7-B8
[5] 量子情报通信技术研究开发战略. 日本量子情报通
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