【大咖觀點•朱曉波】超導量子計算有望在多領域實現突破
編者薦語：
近日，新基石科學基金會主辦的前沿學術網絡研討會新基石Webinar，邀請了中國科學技術大學朱曉波教授，講解超導量子計算的現狀及近期和中遠期目標，並介紹我國在該方向上取得的一系列進展。
以下文章來源於墨子沙龍，作者墨子沙龍
1 超導量子計算的基本原理
超導量子計算的基本原理依託於量子力學的核心概念，利用超導材料的獨特性質來實現量子比特操作和量子信息處理。在超導量子計算中，量子比特的狀態不是經典比特的0或1，而是量子態的疊加，允許它們同時存在於多種狀態之中。這種疊加狀態爲量子計算機提供了巨大的計算空間，使其在理論上解決某些特定問題的速度遠超傳統計算機。
超導量子計算系統通常由超導材料製成的電感（L）、電容（C）和約瑟夫森結（J）構成，形成LCJ電路，即LCJ諧振子。約瑟夫森結是一種特殊的超導弱鏈接，它在超導電路中引入非線性，使電路能表現出量子力學的特性。通過精細調控這些電路元件，實現量子比特的精確操控，包括量子態初始化、量子門操作以及量子態讀取。
量子比特的操控依賴於精確的量子態控制，這要求對每個量子態的擾動低於單量子水平。在超導量子計算中，通過調整電脈衝來控制量子比特，實現量子邏輯門操作。這些操作必須足夠精確，因爲量子態對外界擾動極其敏感，即使是微小的電壓波動也可能導致錯誤。
在量子計算領域，有兩個最基本的參數，一個是錯誤率，一個是量子比特數目。只有把錯誤率降下去了，把量子比特數目提高了，才能真正讓超導量子計算有用起來。量子比特、量子計算最吸引人的地方，正是它可以操作的空間是隨着比特數的增加而指數增加的。
然而，超導量子計算的過程中，存在比特之間互相串擾、量子態泄露以及量子門操作錯誤等一系列挑戰，要在增加比特數目的同時降低錯誤率是一件很困難的事情，科學家們也正在這一方面進行不懈努力。
2 超導量子計算髮展的三個階段
超導量子計算有三個發展階段——實現量子優越性、構建專用的量子模擬器和實現通用計算量子計算機。
在超導量子計算初期，研究者們的主要目標是展示量子計算的優越性，即在特定問題上量子計算機能夠超越經典計算機的處理能力。這一階段的核心是實現對量子比特的高精度操控，並在實驗中驗證量子力學的非經典特性。谷歌的“懸鈴木”和中國的“祖沖之號”超導量子計算機是這一階段的代表，也是目前唯二在超導體系展示了量子優越性的案例。然而，這兩個算力設計的問題並不具備實際應用場景，純粹爲了展示量子計算機在處理特定問題上的速度優勢。因此，我們有了第二階段的目標。
在第二階段，研究者們開始探索如何利用量子計算機解決具有實際價值的問題，學界稱爲NISQ。目前，學界提出了一些比較厲害的算法，如Shor算法可以解密碼，Grover算法可以加快搜索的速度，這讓大家對量子計算的應用有了更多的信心。而這些算法要真正運用的話，就需要一臺可以任意多次操作每一個比特的通用容錯量子計算機。
這是我們第三階段的目標，即構建一個能夠執行任意量子算法的量子計算機，實現通用量子計算。目前甚至在很長時間內，我們能看到的極限是將量子計算的錯誤率降到千分之一的水平。因此，我們需要進行量子糾錯。量子糾錯的核心思想是使用冗餘的量子比特來編碼單個邏輯量子比特，以便在不破壞量子系統的疊加和糾纏特性的情況下檢測和修正錯誤，從而降低錯誤率，爲建設通用容錯量子計算機打下基礎。
總而言之，超導量子計算髮展的每個階段都有其技術和理論難題，要真正實現超導量子計算的應用，它的難度是極其高的。只有把幾個關鍵的點都做上去，才能實現量子計算整體性能的提升。
3 發展超導量子計算的舉措
（1）降低雙比特門的錯誤率
量子門包括單比特門和雙比特門，單比特門的操作相對簡單，將錯誤率降低到萬分之一也是可能的，而雙比特門的操作較爲困難。目前，全世界只有不超過十個課題組實現雙比特門百分之六的錯誤率。爲解決這個問題，我們發展了非絕熱的做門方法，在提升做門速度的同時，減少量子泄露。
（2）發展耦合比特技術
耦合比特技術關注如何精確控制量子比特之間的相互作用，從而實現更復雜的量子操作和算法。我們組在國內最早做出了耦合器，在實驗中實現了高保真的量子門操作，錯誤率降至千分之二的水平，這是一個顯著的成就。
（3）實現高保真的讀取
爲實現量子優越性、進行量子糾錯，量子的讀取必須做到非常高的水平，必須是單發的，每讀一次不能有太多冗餘。這方面我們投入了大量精力，最終實現了非常高的同步讀取的保真度。
（4）隨機線路採樣
隨機線路採樣用於測試和驗證量子處理器的性能。它將所有量子比特一起通過單比特門和雙比特門進行操作，其中門是隨機選擇的。通過運行多層這樣的量子門，對量子系統進行採樣，採樣結果將服從一個特定的分佈，如果量子門操作正確無誤，採樣結果將符合預期的分佈。如今，隨機線路採樣已經成爲衡量量子處理器性能的一個重要工具了。
（5）實現多比特糾纏
除了隨機線路採樣，多比特糾纏也能展示量子處理器的性能。糾纏是量子物理中最神秘的現象之一，它允許量子比特之間即使相隔很遠也能瞬間影響彼此的狀態。在超導領域，隨着錯誤率降下來，多比特糾纏在整個量子計算領域會呈現加速的趨勢。在“祖沖之二號”上，我們將比特糾纏的數目提高到了51個，最近我們也實現了將近100個比特的糾纏，相關成果很快就會發表。
4 適合超導量子計算的公認糾錯方案
量子糾錯有很多方案，但是學術界公認適合超導量子計算的方案是表面編碼。所謂表面編碼就是編碼基於平面連接的量子比特，它不需要立體的連接，使得表面編碼能通過使用一定數目的物理量子比特的冗餘，降低邏輯量子比特的錯誤率。
實現表面編碼有三個關鍵的步驟。
第一步是展示其在最小規模上的可行性。這通常涉及到構建一個包含少量量子比特的二維晶格，並實現碼距爲3的編碼。碼距3意味着每個邏輯量子比特由多個物理量子比特編碼，通常以三角形或其他幾何結構排列，以實現錯誤檢測和糾正。這一步驟的關鍵在於驗證表面編碼能夠按照理論預期工作，即能夠檢測並糾正單個量子比特的錯誤。
第二步是驗證增加碼距的意義，也就是驗證隨着碼距的增加，量子計算的錯誤率是降低的。谷歌剛剛在Nature上發表的文章證明，隨着比特數目的增加，碼距的增加，量子計算的錯誤率是降低的，這是非常令人震撼的事情。
第三步是大規模擴展物理量子比特數目，實現錯誤率低得多的邏輯量子比特。實現通用容錯量子計算，要求表面編碼能擴展到成千上萬個物理量子比特，同時保持邏輯量子比特的錯誤率在極低水平。
表面編碼作爲一種有前景的量子糾錯方案，其實現步驟體現了從理論驗證到技術實現，再到大規模應用的逐步發展。目前，“祖沖之三號”在展示量子優越性的處理上，基本達到了第二步的水平。
5 量子計算和經典計算的良性競爭
量子計算在不斷髮展，經典計算機也是在不斷髮力的，二者之間存在良性的競爭關係。2019年，懸鈴木號通過解決隨機線路採樣問題，宣稱在600秒內完成了一個任務，而當時最強的經典計算機需要1萬年，這一成就標誌着量子優越性的實現。然而，經典計算並未停滯不前，2021年我國科學家基於超級計算機的算法獲得戈登·貝爾獎，從而削弱了量子計算的絕對優越性。然而，量子計算和經典計算之間並非互相替代的，而是互相補充的，在一些特定領域，經典計算機依然具有優勢。
6 未來的量子計算
目前，學界討論AI for science與science for AI，量子計算和AI雙方對各自有着非常重要的促進作用，很多從事理論研究或實驗工作的人員認爲，量子計算很可能在AI領域取得一些突破。如果通用容錯量子計算能夠順利實現的話，最終可能會擁有一臺出色的量子計算機，用來加速AI的某些部分。不久前Nature發表了一篇文章，證明可以用現有的AI手段來優化和調控量子計算機。所以AI與量子計算是可以相互促進的，這兩者結合到一起，會產生“1+1>2”的效果。
總之，超導量子計算的未來充滿了機遇和挑戰。隨着技術的不斷進步和應用的拓展，超導量子計算有望在多個領域實現突破，推動科學技術的發展和人類社會的進步。