量子計算起源、原理、發展簡史與技術路線介紹

1970 年，Charlie Bennett 首次提出 “量子信息理論”。

20 世紀 80 年代早期，Paul Benioff、Richard Feynman、Yuri Manin 等量子計算先驅利 用數學和理論量子力學進行論證。他們提出計算機是一個物理系統，如果 想要高效地計算 “不可計算” 的問題，就需要重新思考計算方式。量子 力學提供了一個豐富的計算模型，因此需要建造量子計算機。 量子比特的出現。1998 年第一臺雙量子比特量子計算機建成，理論 開始變為現實。量子比特是量子計算機的基本構建塊，由微小的超導電路 制成，其表現類似于原子。量子比特可以處于多種狀態的線性組合，可以 相互干涉和糾纏，即當一個量子比特改變狀態時，與之糾纏的量子比特也 會改變狀態。 目前，量子計算機與經典計算機結合使用在有意義的任務中很快將超 過僅使用經典計算機的性能。IBM 預計在最近十年內就能看到這一成就。 經典計算機的比特只能將信息存儲為 0 或 1，物理世界保持固定結構， 這與經典力學相符。但隨著科學家能夠對亞原子物質進行探索，開始發現 更多的概率狀態：即物質在不同條件下呈現出許多可能的特性。于是，量 子物理學領域應運而生，旨在探索并理解這些現象。 量子計算的強大力量建立在量子力學的兩大基石之上：干涉和糾纏。 干涉原理使量子計算機能夠消除不需要的解，并增強正確的解。糾纏意味 著量子比特的組合狀態所包含的信息比量子比特各自獨立時包含的信息更 多。總體而言，這兩個原理在經典理論中沒有類似情況，要在經典計算機 上對它們進行建模需要耗費指數級的資源。IBM 對這一特征舉了一個例 子，要表示一臺 100 個量子比特的量子計算機的復雜程度，所需要的經 典比特數量比地球上的原子數量還要多。（以上為根據 IBM 的 The Quantum Decade 報告總結）

量子計算利用了量子力學的一個基本原理 —— 處于確定狀態的物理 系統仍然可以隨機表現。該系統處于疊加態，也就是兩種或多種狀態的線性 組合。量子力學的獨特之處在于，在某些情況下，當測量一個量子疊加態時， 即便系統的狀態是確定的，也會得到隨機的結果。經典計算中的比特是 0 或 1，但在量子計算中，量子比特（qubit）可以同時處于無數種狀態，也就是 0 和 1 的疊加態。例如一枚硬幣，如果拋一枚硬幣，它要么正面朝上，要 么反面朝上。但如果旋轉一枚硬幣，它的維度可能性會呈指數級增加。 糾纏是量子系統的一種特性，在這種特性下，相距甚遠的兩個量子比特 各自的表現是隨機的，但卻存在著令人費解的關聯性。對兩個處于糾纏態的 量子比特分別進行測量，會得到隨機的結果。但當從整體上審視這個系統時，其中一個量子比特的狀態取決于另一個。組合而成的系統所包含的信息 比各個單獨部分包含的信息更多。愛因斯坦將其稱為 “幽靈般的超距作 用”。 另外，噪聲會導致量子比特失去其量子力學特性，因此它們必須與任何 噪聲源隔離開來。構建量子比特有不同的方法，其中一種主要的方法是利用 超導性來制造具有可隨意控制的量子力學特性的器件。但為了讓量子比特 正常工作，它們必須被保存在溫度為 10 到 20 毫開爾文的 溫度環境中。 （以上為根據 IBM 的 The Quantum Decade 報告總結）

20 世紀 80 年代初，保羅?貝尼奧夫（Paul Benioff）、理查德?費曼 （Richard Feynman）等人首次提出量子計算的設想。20 世紀 90 年代，初 步的數學和算法工作開始展開；21 世紀頭十年著重于從物理層面呈現量子 比特；2010 年以后，多量子比特系統被證明是可行的，并且可以通過云端 進行訪問。2019 年，谷歌公司成功研制出量子計算原型機“懸鈴木””，包 含 53 個量子比特；2020 年，IBM 推出了具有 65 個量子比特數的量子計算 機系統。同年 12 月，中國科學技術大學團隊構建的光量子計算原型機“九 章”，通過高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling）實驗展示了量子計算優 勢，成功實現了最多 76 個光子的輸出。2024 年 12 月，谷歌發布最新的 willow 量子芯片，具備 105 個量子比特；同月中，中國科學技術大學潘建 偉院士團隊發布了祖沖之 3 號超導量子計算機，同樣實現了 105 個量子比 特。

量子計算包括不同的技術路線，包括超導量子計算、離子阱量子計算、 中性原子量子計算、光量子計算、硅半導體量子計算等五個主流技術方向。 根據科研論文數量的統計，能反映量子計算不同細分領域的受關注程度。可 以看出，五條技術路線均受到廣泛關注，發文量均呈現上升態勢。其中，超 導量子計算和中性原子量子計算的論文發表量增長尤為突出。 論文數量上，超導量子計算路線專利的全球申請量為 9380 件，全球授 權量為 3976 件。從專利申請總量和授權總量兩方面均可看出，超導路線在 五條技術路線中表現最為突出，這表明到目前為止，超導量子計算路線長期 被業界寄予厚望。

量子計算目前呈現多種硬件技術路線并行發展的態勢，中國信通院將 其歸納為兩大類，一類是以超導、硅半導體路線為代表的人造粒子路線，另 一類是以離子阱、中性原子、光量子路線為代表的天然粒子路線。前者在擴 展性等方面占據優勢，但在邏輯門保真度、量子比特控制等指標提升方面對 加工工藝條件的依賴性較高。后者具有比特全同性和高邏輯門精度等優勢， 但實現更大規模的系統會面臨困難。近年來，多條技術路線量子比特規模、 質量、退相干時間等關鍵指標持續優化，技術水平穩步提升，依舊保持多元 化和競爭性的發展格局，路線收斂呈現出較大不確定性，短期內還難以形成 方案聚焦。 超導技術路線基于超導約瑟夫森結構造二能級系統，具有擴展性好、易 操控和集成電路工藝兼容等優勢，是關注度最高、發展較為迅速的技術路線 之一。 離子阱技術路線以囚禁在射頻電場中離子的超精細或塞曼能級作為量 子比特載體，通過激光或微波進行相干操控，離子阱量子比特的全連接性使 其在操控精度、相干時間等方面具有優勢。 中性原子技術路線使用光鑷或光晶格進行原子的囚禁，激光激發原子 里德堡態進行邏輯門操作或量子模擬演化，在相干時間、操控精度以及可擴 展性方面占據一定優勢。

光量子技術路線利用光子的多個自由度進行編碼，優點在于相干時間 長、室溫運行以及測控相對簡單，可分為邏輯門型光量子計算和專用光量子 計算兩類。邏輯門型光量子計算樣機研發需要在加強光子間相互作用、構建 雙比特邏輯門以及大規模集成光子技術等方面集中攻關，專用光量子計算 則有望在求解組合優化等專用實用化問題中展示優勢。 硅半導體技術路線使用量子點中囚禁的單電子或空穴作為量子比特， 通過電脈沖實現量子比特操控和耦合，優勢體現在與成熟 CMOS 工藝技術 兼容等方面。硅半導體路線受限于同位素材料加工以及柵極間串擾等因素 影響，規模擴展性和操控精度等指標的突破仍面臨諸多挑戰，在多元路線競 爭中優勢尚不明確。 由于量子計算目前處于早期發展階段，各技術路線的關鍵指標發展水 平呈現參差不齊的狀態。超導路線的比特數量、邏輯門保真度等指標提升迅 速，其他指標發展也保持相對平衡；離子阱路線在邏輯門保真度和相干時間 指標上表現突出，但比特數量擴展等方面依舊面臨瓶頸挑戰；中性原子路線 在比特數量、門保真度和相干時間等指標上持續取得進展；光量子路線完成 量子優越性驗證，但與硅半導體路線類似，目前在比特數量、邏輯門保真度 和相干時間等指標方面尚未顯露明顯優勢。（以上為根據中國信通院報告總 結） 我們認為，目前量子計算的各技術路線都在以各自優勢來演進，但哪 一個技術路線能夠真正實現商業應用落地，目前還為時尚早。