【大咖观点•朱晓波】超导量子计算有望在多领域实现突破

编者荐语：

近日，新基石科学基金会主办的前沿学术网络研讨会新基石Webinar，邀请了中国科学技术大学朱晓波教授，讲解超导量子计算的现状及近期和中远期目标，并介绍我国在该方向上取得的一系列进展。

以下文章来源于墨子沙龙，作者墨子沙龙

1 超导量子计算的基本原理

超导量子计算的基本原理依托于量子力学的核心概念，利用超导材料的独特性质来实现量子比特操作和量子信息处理。在超导量子计算中，量子比特的状态不是经典比特的0或1，而是量子态的叠加，允许它们同时存在于多种状态之中。这种叠加状态为量子计算机提供了巨大的计算空间，使其在理论上解决某些特定问题的速度远超传统计算机。

超导量子计算系统通常由超导材料制成的电感（L）、电容（C）和约瑟夫森结（J）构成，形成LCJ电路，即LCJ谐振子。约瑟夫森结是一种特殊的超导弱链接，它在超导电路中引入非线性，使电路能表现出量子力学的特性。通过精细调控这些电路元件，实现量子比特的精确操控，包括量子态初始化、量子门操作以及量子态读取。

量子比特的操控依赖于精确的量子态控制，这要求对每个量子态的扰动低于单量子水平。在超导量子计算中，通过调整电脉冲来控制量子比特，实现量子逻辑门操作。这些操作必须足够精确，因为量子态对外界扰动极其敏感，即使是微小的电压波动也可能导致错误。

在量子计算领域，有两个最基本的参数，一个是错误率，一个是量子比特数目。只有把错误率降下去了，把量子比特数目提高了，才能真正让超导量子计算有用起来。量子比特、量子计算最吸引人的地方，正是它可以操作的空间是随着比特数的增加而指数增加的。

然而，超导量子计算的过程中，存在比特之间互相串扰、量子态泄露以及量子门操作错误等一系列挑战，要在增加比特数目的同时降低错误率是一件很困难的事情，科学家们也正在这一方面进行不懈努力。

2 超导量子计算发展的三个阶段

超导量子计算有三个发展阶段——实现量子优越性、构建专用的量子模拟器和实现通用计算量子计算机。

在超导量子计算初期，研究者们的主要目标是展示量子计算的优越性，即在特定问题上量子计算机能够超越经典计算机的处理能力。这一阶段的核心是实现对量子比特的高精度操控，并在实验中验证量子力学的非经典特性。谷歌的“悬铃木”和中国的“祖冲之号”超导量子计算机是这一阶段的代表，也是目前唯二在超导体系展示了量子优越性的案例。然而，这两个算力设计的问题并不具备实际应用场景，纯粹为了展示量子计算机在处理特定问题上的速度优势。因此，我们有了第二阶段的目标。

在第二阶段，研究者们开始探索如何利用量子计算机解决具有实际价值的问题，学界称为NISQ。目前，学界提出了一些比较厉害的算法，如Shor算法可以解密码，Grover算法可以加快搜索的速度，这让大家对量子计算的应用有了更多的信心。而这些算法要真正运用的话，就需要一台可以任意多次操作每一个比特的通用容错量子计算机。

这是我们第三阶段的目标，即构建一个能够执行任意量子算法的量子计算机，实现通用量子计算。目前甚至在很长时间内，我们能看到的极限是将量子计算的错误率降到千分之一的水平。因此，我们需要进行量子纠错。量子纠错的核心思想是使用冗余的量子比特来编码单个逻辑量子比特，以便在不破坏量子系统的叠加和纠缠特性的情况下检测和修正错误，从而降低错误率，为建设通用容错量子计算机打下基础。

总而言之，超导量子计算发展的每个阶段都有其技术和理论难题，要真正实现超导量子计算的应用，它的难度是极其高的。只有把几个关键的点都做上去，才能实现量子计算整体性能的提升。

3 发展超导量子计算的举措

（1）降低双比特门的错误率

量子门包括单比特门和双比特门，单比特门的操作相对简单，将错误率降低到万分之一也是可能的，而双比特门的操作较为困难。目前，全世界只有不超过十个课题组实现双比特门百分之六的错误率。为解决这个问题，我们发展了非绝热的做门方法，在提升做门速度的同时，减少量子泄露。

（2）发展耦合比特技术

耦合比特技术关注如何精确控制量子比特之间的相互作用，从而实现更复杂的量子操作和算法。我们组在国内最早做出了耦合器，在实验中实现了高保真的量子门操作，错误率降至千分之二的水平，这是一个显著的成就。

（3）实现高保真的读取

为实现量子优越性、进行量子纠错，量子的读取必须做到非常高的水平，必须是单发的，每读一次不能有太多冗余。这方面我们投入了大量精力，最终实现了非常高的同步读取的保真度。

（4）随机线路采样

随机线路采样用于测试和验证量子处理器的性能。它将所有量子比特一起通过单比特门和双比特门进行操作，其中门是随机选择的。通过运行多层这样的量子门，对量子系统进行采样，采样结果将服从一个特定的分布，如果量子门操作正确无误，采样结果将符合预期的分布。如今，随机线路采样已经成为衡量量子处理器性能的一个重要工具了。

（5）实现多比特纠缠

除了随机线路采样，多比特纠缠也能展示量子处理器的性能。纠缠是量子物理中最神秘的现象之一，它允许量子比特之间即使相隔很远也能瞬间影响彼此的状态。在超导领域，随着错误率降下来，多比特纠缠在整个量子计算领域会呈现加速的趋势。在“祖冲之二号”上，我们将比特纠缠的数目提高到了51个，最近我们也实现了将近100个比特的纠缠，相关成果很快就会发表。

4 适合超导量子计算的公认纠错方案

量子纠错有很多方案，但是学术界公认适合超导量子计算的方案是表面编码。所谓表面编码就是编码基于平面连接的量子比特，它不需要立体的连接，使得表面编码能通过使用一定数目的物理量子比特的冗余，降低逻辑量子比特的错误率。

实现表面编码有三个关键的步骤。

第一步是展示其在最小规模上的可行性。这通常涉及到构建一个包含少量量子比特的二维晶格，并实现码距为3的编码。码距3意味着每个逻辑量子比特由多个物理量子比特编码，通常以三角形或其他几何结构排列，以实现错误检测和纠正。这一步骤的关键在于验证表面编码能够按照理论预期工作，即能够检测并纠正单个量子比特的错误。

第二步是验证增加码距的意义，也就是验证随着码距的增加，量子计算的错误率是降低的。谷歌刚刚在Nature上发表的文章证明，随着比特数目的增加，码距的增加，量子计算的错误率是降低的，这是非常令人震撼的事情。

第三步是大规模扩展物理量子比特数目，实现错误率低得多的逻辑量子比特。实现通用容错量子计算，要求表面编码能扩展到成千上万个物理量子比特，同时保持逻辑量子比特的错误率在极低水平。

表面编码作为一种有前景的量子纠错方案，其实现步骤体现了从理论验证到技术实现，再到大规模应用的逐步发展。目前，“祖冲之三号”在展示量子优越性的处理上，基本达到了第二步的水平。

5 量子计算和经典计算的良性竞争

量子计算在不断发展，经典计算机也是在不断发力的，二者之间存在良性的竞争关系。2019年，悬铃木号通过解决随机线路采样问题，宣称在600秒内完成了一个任务，而当时最强的经典计算机需要1万年，这一成就标志着量子优越性的实现。然而，经典计算并未停滞不前，2021年我国科学家基于超级计算机的算法获得戈登·贝尔奖，从而削弱了量子计算的绝对优越性。然而，量子计算和经典计算之间并非互相替代的，而是互相补充的，在一些特定领域，经典计算机依然具有优势。

6 未来的量子计算

目前，学界讨论AI for science与science for AI，量子计算和AI双方对各自有着非常重要的促进作用，很多从事理论研究或实验工作的人员认为，量子计算很可能在AI领域取得一些突破。如果通用容错量子计算能够顺利实现的话，最终可能会拥有一台出色的量子计算机，用来加速AI的某些部分。不久前Nature发表了一篇文章，证明可以用现有的AI手段来优化和调控量子计算机。所以AI与量子计算是可以相互促进的，这两者结合到一起，会产生“1+1>2”的效果。

总之，超导量子计算的未来充满了机遇和挑战。随着技术的不断进步和应用的拓展，超导量子计算有望在多个领域实现突破，推动科学技术的发展和人类社会的进步。