隨機量子電路

⑴ 國際領先的天河二號是如何算出量子霸權標準的

“天河二號”超級計算機上完成了量子霸權測試案例——隨機量子線路采樣問題的模擬，實際測試了49、64、81、100等不同數目量子比特在不同量子線路深度下的問題實例來測量出量子霸權標准。量子霸權，代表量子計算裝置在特定測試案例上表現出超越所有經典計算機的計算能力，實現量子霸權是量子計算發展的重要里程碑。評測稱霸標准，需要高效的、運行於經典計算機的量子計算模擬器。

量子計算機的運算能力會呈現“雙指數速率增長”，超越“摩爾定律”所指，傳統計算機運算能力約兩年翻一倍的增長速度。，一旦實際的量子物理裝置實現了每組樣本100分鍾以內50光子的玻色采樣，就在求解這個問題上超過了“天河二號”，實現了量子霸權。

⑵ 量子晶元研製有新進展具體指的是什麼

從中國科學技術大學獲悉：近期，郭光燦團隊中的郭國平與肖明、李海歐、曹剛等人合作，利用優化設計的高頻脈沖量子測控電路，成功實現了世界上首個基於半導體量子點體系的三電荷量子比特邏輯門，進一步提升量子計算的效率，為可擴展、可集成化半導體量子晶元的研製奠定了堅實基礎。

《物理評論應用》審稿人認為，這項工作是半導體量子點量子計算方向的一個重要進展，將引起學界對該領域極高的研究熱情。

⑶ 量子晶元還用光刻機嗎你知道有哪些進展嗎

近年來，晶元的熱度並未下降，特別是5G的大規模發展，新能源汽車的發展，對晶元的需求可以說達到了前所未有的程度。全世界都出現了“晶元短缺”。作為全球最大的晶元進口國，台灣受到的影響越來越大。盡管一些晶元的采購仍受制於海外公司，但好消息是，未來這種情況可能會發生很大變化。因為量子晶元即將到來。如果量子晶元能夠成功開發出來，它將徹底改變目前的狀況。

事實上，兩家公司合肥本源量子與合肥晶合集成電路公司聯合建設實驗室的最終目的是為了盡快推出量子計算晶元生產線，這也是國內量子計算產業發展的最大障礙。對於原晶量子晶元聯合實驗室的建立，美國院士詹姆斯直言不諱地表示，美國今後不會再用晶元來製造中國的問題，晶元之戰終將結束。相信中國的量子晶元未來也將在國際社會中閃耀。

⑷ 量子電路

量子計算就是利用量子力學的態疊加原理。數字計算機進行計算的時候全部轉化為0和1，而量子計算機如果只有兩個基態比如0和1，由於各個態的占的比率不一樣，可以製造出任意個態，從而提高計算速度。不過，由於測量的時候有退相干效應，又回到了兩個本證態0和1，所以量子計算機正在研製之中，很困難。本人認為如果現在的量子力學是完備的，量子計算機不可能成功。
我不了解量子線路，從來沒聽說過，哈哈，學識淺薄，只聽說過量子線。

⑸ 量子霸權，打不死的人工智慧，毀滅還是永生

我們說到人工智慧想要完全模擬大腦需要的耗能與耗材都是不可想像的巨大，但是這並不能阻止弱人工智慧向強人工智慧的科學進化。

如果用電子網路來模擬一個類人機器人的話，既然不能夠扛著2000噸的大腦出現在大街上，那麼最有可能首先實現的就是基於雲端開發的人工智慧，智能機器人的大量復雜決策直接在雲端完成，而機器人的身體可以以任何的形式存在。

它既可以成為機器萌寵，也可以成為智能超跑，甚至它可以只是一隻極其小蜜蜂，當然也可以成為和我們外表完全一樣的人，只不過他的大腦在雲端，而五G的普及也會完美的解決雲端大腦與機器人之間的信號處理響應的問題，傳輸速度依然會遠遠高於人腦的離子傳輸。而且隨著計算機系統的高速發展，雲端大腦是完全可以超越人類的智能的。

但是聰明的你也許會說，如果一個龐大的雲端計算機系統僅僅為了一個人工智慧機器人服務，是不是太浪費了？

的確強嚴愛機器人會占據雲端系統很大部分的資源，因為將AI放在終端，對晶元有兩點挑戰需要解決。第一AI晶元要有足夠強大的高性能來支持復雜的人工智慧計算。第二晶元必須足夠耗能低，以便裝置在終端的小物體上，同時還必須保證低成本，以便於大規模的推廣。

因此雲端AI機器人作為實驗理論上雖然可行，但是想要量產似乎就很不現實，所以在本地做人工智慧才是未來的方向，那麼模擬大腦的問題怎麼解決呢？

即使不通過雲端計算，人類還有別的辦法。

Summit是IBM研發的一款超級計算機，並在2019年11月18日的全球超級計算機500強排行榜中，以每秒14.86億億次的浮點運算速度再次蟬聯冠軍。

Summit作為超級計算機中的絕對扛把子，在處理量子電路的一個實例取樣100萬次時，需要1萬年的時間，而就在2019年9月20日，Google研發架設出的53量子位的量子計算機，"懸鈴木"只用了3分20秒就完成了同樣的事情，並聲稱是全球首次實現了量子挖掘。

量子霸權是指量子計算機裝置在特定測試案例上表現出的超越所有經典計算機的計算能力，可見量子計算機對傳統計算機產生了維度級別的碾壓。基於態疊加原理和量子並行原理，使得量子計算機在並行運算的強大能力能夠快速完成經典計算機無法完成的計算。因此量子計算機理論上具有模擬任意自然系統的能力是發展人工智慧的關鍵，顯然量子計算機的發展將為強人工智慧的實現奠定基礎鋪平道路。

短期來看，人工智慧的發展是有利於人類的進步的，可長期來看人工智慧是十分危險的，目前世界上還沒有一個公認的組織來規范人工智慧的准則。

人工智慧目前還處於野蠻生長的階段，未來的發展結果變得不可控，將是一件極度危險的事情，人工智慧都是由結果驅動的，程序員會設定目標以及一系列關於如何實現目標的規則，簡單來說就是通過演算法對大家進行約束和限制，而先進的人工智慧並不一定非要某個黑化的程序員為其設定毀滅人類統治世界的目標才會去實現它，他很可能會在偶然之間就執行了操作。

這個程序員最後還自嘲說，說真的，唯一制勝的招數就是不玩了。連這個弱AI都可以自己想出人類意想不到的方案去解決問題，那麼你能想到的想不到的任何可能性，超級AI的資料庫中早已備份好了100萬種解決方案，更何況超級AI未必是一個物理形態的存在，當比我們聰明10億倍的超AI，意識到沒有物理形態是最安全的時候，他可能只是一串代碼，一組數據、一股電波，同時這也可能使得它以無數個理形態而存在於世界上的每個角落，任何一台電腦，任何一部手機，任何一個通訊衛星都可能是它的分身，那麼你一定會說追查它的IP解決掉的。

⑹ 物理學家如何看待量子計算呢

如果你的意思是，它會不會為一些有用的、用傳統機器很難解決的問題提供答案，那麼這在短期內不會發生。我們還沒有開發出能夠解決有趣問題的容錯設備。所謂有趣，我指的是諸如:因式分解、基態估計、線性系統求解、布爾公式求解、最短向量尋找等問題。為了了解我們面前絕對艱巨的任務，請閱讀以下報告:

另一個無用的問題是量子計算機可以勝過經典機器的IQP(瞬時量子多項式時間)采樣([1702.03061]量子采樣問題，玻色子采樣和量子優勢)，它采樣一個恆定深度的量子電路的輸出分布(等效於從一個具有假想耦合的熱Ising自旋配置采樣)。這種量子計算對錯誤是敏感的，將需要錯誤糾正，但幸運的是，不需要容錯的全部軍械庫錯誤糾正工作。然而，如上所述，它並沒有解決一個人們稱之為「有用」的問題。

我並不是要貶低那些無用的演算法。證明這些問題很難在經典機器上解決的論據是微妙的，並使用了強大的量子復雜性理論技術。

⑺ 量子晶元現在進展到哪一步了

這幾年晶元的熱度是一直不降，特別是5G大量開發，新能源汽車的發展，對晶元的需求可謂達到了前所未有。所以全球都鬧起了「晶元荒」。我國作為全球的最大晶元進口國，受到的影響也變得越來越大。不過，雖然目前某些晶元采購仍是受制於海外企業，但好消息是，在未來這種情況或將大為改觀。因為量子晶元要來了。如果量子晶元可以成功研製，那麼將完全改變目前的現狀。

也許還是有不少人對量子晶元比較陌生。但是它已經在各電子強國之間競相研發了。

那什麼是量子晶元呢？

量子晶元就是在主面板上集成了量子電路，所以它是一種量子信息處理功能。量子計算機基於疊加與糾纏的量子力學特性，能夠實現遠超經典計算機的算力飛躍，被喻為信息時代的「核武器」，關系著國家的未來核心競爭力。而量子晶元就是這項顛覆性技術的核心環節。

⑻ 可以不用光刻機的量子晶元，是怎樣一種晶元

面對美國長期封鎖，它已被阻礙我國的籌碼開發。當華為希望為晶元開發創新時，美國是一個大大的偉大，它被壓迫了華為；後來，需要從光刻術中掌握，要求荷蘭asample限制進口。但中國已成功改變，開發新的可編程光量子晶元，或已成為該領域的領導者。

對於輕量子晶元，每個人都非常奇怪，讓我們看看它，什麼是燈昆騰晶元？

輕量子晶元

事實上，光量子晶元是在單個混合晶元中重新結合硅的發光屬性，當向磷化銦施加一定程度的電壓時，梁可以產生連續激光束，光束能夠其他硅光子器件被驅動。

光量子晶元的功能是實現光電信號轉換，其在信息傳送站中受歡迎，其附接到作為核心設備的其他移動設備。

我國的研究人員已經成功開發了可編程的可編程光量子晶元，並且可以在各種領域應用這種新型晶元的基於硅的集成光學技術，如數據搜索，圖案識別。

光量子晶元具有如此強大的功能，然後是傳統晶元的位置？

區別

實際上，光量子晶元與基於半導體的傳統晶元不同，並且量子效應是重新構建先前的操作方法的原理。它僅在演算法和概念參考中，如施工基礎上的其他方面。不同的。

似乎用木材製成的長凳被用更好的材料製成的椅子。雖然它用於坐，但舒適是不同的。通過這個例子，您可以知道光量子具有更大的優勢。

由於光作為載波，所存儲的信息可以更長的節省，並且不容易高於外部干擾，精度和穩定性。

傳統的晶元將具有物理限制，並且難以突破1納米。 Nano已經很小，但沒有數量，在當前量子是我們所知道的最低物理單元，並且光量子晶元的超快速傳輸速度比傳統晶元的容量多於數百倍。

此外，光量子晶元可以大大降低成本，並且可以更好地兼容。與傳統晶元相比，光量子晶元可以通過光刻製造，並將加壓機吹。

由於我國的輕量子晶元剛剛介紹，因此它將面臨很大的困難和問題，並且必須測試一段時間。我堅信科學專家可以創造一個專門從事中國籌碼的光明未來。

⑼ 當初讓馬雲滿心期望，豪砸1000億建立的達摩院，如今成果有哪些

當今社會企業要想發展，就要多領域綜合發展，不能死磕在某一個領域，為此有非常多的企業都會跨行業發展，比如說房地產行業也會配套的去發展金融等等，今天的主角馬雲，投資了1000億建立達摩院，不知道到現在研究出什麼舉世仰慕成果呢？現在就跟隨著小編的腳步一起探索下去吧。

大家知道馬雲為什麼要將研究AI晶元的場所取名叫達摩院嗎？原來是因為阿里的創始人非常喜歡金庸小說，他們對武俠非常的嚮往，所以就取了達摩院這個名字，還有一個說法就是達摩這個稱號是武學中技藝的最高境界，這也在側面反映了阿里人強烈渴望進步，成為行業龍頭的美好願望，也表現了阿里人渴望在科技領域大展拳腳的美好願望，馬雲也深切的知道只有在科技領域擁有屬於自己的核心競爭力，才不會被其他企業左右自己的發展，因為市場在存在著惡性競爭，有一些企業會因為妒忌，故意就掐斷市場中的重要資源，置其他企業於死地，所以在這一方面更要自立自強，獨立自主，研發出屬於自己的核心競爭力。

在近年的研究中，達摩院就擁有不小的成就，比如說早在2018年的時候就推出來網路晶元，在後來又逐步推進了「太章」量子電路模擬器還有Fs MN開源語音識別模型，這一系列的研究成果也獲得了不少的國際大獎，並逐步被人看好，由此可以看出馬雲在科技領域的發展也有屬於自己的一套方法，積極聘請國內外的優秀學者投入AI晶元的項目研究，在最短的時間內實現技術最大的突破，發揮阿里人的精神，對此小編也不得不佩服馬雲，真的是我國甚至是世界的商業奇才，在此也希望達摩院在AI晶元發展研究中能夠盡快有突破，有什麼意見或建議的小夥伴歡迎留言評論。

⑽ 誰知道量子計算機的基礎知識呀

量子計算機，顧名思義，就是實現量子計算的機器。要說清楚量子計算，首先看經典計算。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定演算法進行變換的機器，其演算法由計算機的內部邏輯電路來實現。經典計算機具有如下特點：

（1）其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是:其輸入態和輸出態都是某一力學量的本徵態。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即|0110110＞。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加態：

C1|0110110 ＞＋ C2|1001001＞。

（2）經典計算機內部的每一步變換都將正交態演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。

相應於經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特）,量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的么正變換。因此量子計算機的特點為[1]:

[1]量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；

[2]量子計算機中的變換為所有可能的么正變換。得出輸出態之後，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。

由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特徵為量子疊加性和相乾性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，並按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子並行計算。量子並行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經典計算機無法完成的工作，如一個很大的自然數的因子分解（後面將敘及）。量子相乾性在所有的量子超快速演算法中得到了本質性的利用[2]。

量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究，而研究可逆計算機是為了克服計算機中的能耗問題。早在六七十年代，人們就發現，能耗會導致計算機晶元的發熱，影響晶元的集成度，從而限制了計算機的運行速度。Landauer[3]最早考慮了這個問題，他考察了能耗的來源，指出：能耗產生於計算過程中的不可逆操作。例如，對兩比待的異或操作，因為只有一比特的輸出，這一過程損失了一個自由度，因此是不可逆的，按照熱力學，必然會產生一定的熱量。但這種不可逆性是不是不可避免的呢？事實上，只要對異或門的操作如圖1所示的簡單改進，即保留一個無用的比特，該操作就變為可逆的。因此物理原理並沒有限制能耗的下限，消除能耗的關鍵是將不可逆操作改造為可逆操作（見圖1）。

圖1 不可逆異或門改進為可逆異或門

Bennett[4]後來更嚴格地考慮了此問題，並證明了，所有經典不可逆的計算機都可以改造為可逆計算機，而不影響其計算能力。

經典計算機實際上就是一個通用圖靈機。通用圖靈機是計算機的抽象數學模型，它由兩部分構成：

[1]具有無限多個存儲單元的記錄帶，每個存儲單元內容的變化是有限的，通常用二進制的「O」和「1」來表示；

[2]一個具有有限內態的讀寫頭，每步操作中讀寫頭可以在記錄帶上左移或右移一格或不動。圖靈機在操作中，讀寫頭根據其內態和當前存儲單元的內容，按既定的規則，改變其內態和存儲單元的內容。並決定下一步讀寫頭的移動方向。

上述圖靈機的模型是不可逆的，例如，對如下圖靈機操作「寫存儲單元--> 左移一格」，其逆就變成了「左移一格-->寫存儲單元」，該逆操作不再是一個有效的圖靈機操作。但Bennett證明了一個基本結果：對所有不可逆的通用圖靈機，都可以找到一個對應的可逆圖靈機，使得兩者具有完全相同的計算能力和計算效率。

因為計算機中的每步操作都可以改造為可逆操作，在量子力學中，它就可以用一個么正變換來代表。Benioff[5]最早用量子力學來描述可逆計算機。在量子可逆計算機中，比特的載體成為二能級的量子體系，體系處於|0＞和|1＞上，但不處於它們的疊加態。量子可逆計算機的研究，其核心任務為，對應於具體的計算，尋找合適的哈密頓量來描述。

早期的量子可逆計算機，實際上是用量子力學語言表述出來的經典計算機，它沒有利用量子力學的本質特性，如量子疊加性和相乾性。 Feymann首先指出[6]，這些量子特性可能在未來的量子計算機中起本質作用，如用來模擬量子系統。Deutsch[7]找到一類問題，對該類問題，量子計算機存在多項式演算法(多項式演算法指運算完成的時間與輸入二進制數據的長度，即比特的位數存在多項式關系），而經典計算機則需要指數演算法。但最具轟動性的結果卻是Shor給出的關於大數因子分解的量子多項式演算法[8]（見第三節），因為此問題在經典公鑰體系中有重要應用。Shor的發現掀起了研究量子計算機的熱潮，從此後，量子計算機的發展日新月異。

二、量子計算機的構造及實驗方案

正如經典計算機建立在通用圖靈機基礎之上，量子計算機亦可建立在量子圖靈機基礎上。量子圖靈機可類比於經典計算機的概率運算。前一節提到的通用圖靈機的操作是完全確定性的，用q代表當前讀寫頭的狀態，s代表當前存儲單元內容，d取值為L,R,N,分別代表讀寫頭左移、右移或不動，則在確定性演算法中，當q,s給定時，下一步的狀態q'，s'及讀寫頭的運動d完全確定。我們也可以考慮概率演算法，即當q,s給定時，圖靈機以一定的概率（q,s,q,s」,d）變換到狀態q',s'及實行運動d。概率函數(q,s,q',s',d）為取值[0,1]的實數，它完全決定了概率圖靈機的性質。經典計算機理論證明，對解決某些問題，慨率演算法比確定性演算法更為有效。

量子圖靈機非常類似於上面描述的經典概率圖靈機，現在q,s,q',s'相應地變成了量子態，而慨率函數（q,s,q',s',d）則變成了取值為復數的概率振幅函數x(q,s,q',s',d），量子圖靈機的性質由概率振幅函數確定。正因為現在的運算結果不再按概率疊加，而是按概率振幅疊加，所以量子相乾性在量子圖靈機中起本質性的作用，這是實現量子並行計算的關鍵。

量子計算機可以等效為一個量子圖靈機。但量子圖靈機是一個抽象的數學模型，如何在物理上構造出量子計算機呢？理論上已證明[9]，量子圖靈機可以等價為一個量子邏輯電路，因此可以通過一些量子邏輯門的組合來構成量子計算機。量子邏輯門按其輸入比特的個數可分為單比特、二比特、及三比特邏輯門等。

因為量子邏輯門是可逆的，所以其輸入和輸出比特數相等。量子邏輯門對輸入比特進行一個確定的幺正變換，得到輸出比特。Deutsch[10]最早考慮了用量子邏輯門來為造計算機的問題，他發現，幾乎所有的三比特量子邏輯門都是通用邏輯門。通用邏輯門的含義是指，通過該邏輯門的級聯，可以以任意精度逼近任何一個么正操作。後來不少人發展了Deutsch的結果，最後Deutsch和Lloyd各自獨立地證明[11]，幾乎所有的二比特量子邏輯門都是通用的，這里「幾乎」是指，二比特通用量子邏輯門的集合是所有二比特邏輯門的集合的一個稠密子集。

實驗上通常用一些具體的量子邏輯門來構造計算機。Barenco等人[12]證明，一個二比特的異或門和對一比特進行任意操作的門可構成一個通用量子門集。相對來說，單比特邏輯門在實驗上比較容易實現，現在的不少實驗方案都集中干製造量子異或門。量子異或門和經典異或門非常類似，它有2個輸入比待：控制比特和受控比特。當控制比特處於|1＞態，即在上能級時，受控比特態發生反轉。用記號C12代表量子異或操作，其中1，2分別代表控制和受控比特，則有

其中n1,n2取值 0或 1，表示模2加。已有的用來實現量子異或門的方案包括：利用原子和光腔的相互作用[13]；利用冷阱束縛離子[14]；或利用電子或核自旋共振[15]。在已實現的方案中，以冷阱束縛離子方案最為成功[16]，我們稍詳細地介紹這一方案。

在冷阱束縛離子計算機中，N個離子經激光冷卻後，束縛到一個線性勢阱或環形勢阱中，每個離子的兩個內態作為量子比特的載體。離子受到勢阱束縛勢和相互間庫侖排斥勢的作用，在平衡位置附近作微小振動，可用簡正模描述，量子化後即用聲子描述。其中頻率最低的模稱為質心模。每個離子可以用不同的激光束來控制，在激光束的作用下，離子內態和離子集體振動的元激發——聲子發生相互耦合。通過聲子傳遞相互作用，可實現任意兩個比特之間的異或操作。類似的想法還可以用來實現多比特的量子邏輯門，但目前只有二比特的量子邏輯門得到了具體的實驗證實。

原子光腔方案也有實驗報道。原子和光腔的相互作用是量子光學中比較成熟的實驗，但此方案的弱點是不易級聯，難以形成復雜的邏輯網路。Gershenfeld等最近指出[15]，利用宏觀樣品的自旋共振，經適當操作，也可以用來實現量子邏輯門，這種方案穩定性好，在理論上被認為很有前途。實驗上，今年初美國的MIT和Los Alamos小組已實現了包含 3個量子比特的自旋系統，並成功地執行了1十l＝2的運算。

三、量子計算機的優越性及其應用

與經典計算機相比，量子計算機最重要的優越性體現在量子並行計算上。因為量子並行處理，一些利用經典計算機只存在指數演算法的問題，利用量子計算機卻存在量子多項式演算法，這方面最著名的一個例子當推Shor在1994年給出的關於大數因子分解的量子多項式演算法。

大數的因子分解是數學中的一個傳統難題，現在人們普遍相信，大數的因子分解不存在經典的多項式演算法，這一結果在密碼學中有重要應用。密碼學的一個新的方向是實現公鑰體制。公鑰體制中，加密密鑰公開，可以像電話號碼一樣通知對方，而脫密密鑰是保密的，這樣仍然可以實現保密通信。公銀體制的核心在於，從加密密鑰不能導致脫密密鑰，即它們之間不存在有效的演算法。最著名的一個公鑰系統由Rivet，Shamir和 Adleman提出，它的安全性就基於大數因子分解，因為對於經典計算機，後者不存在有效的多項式演算法。但Shor卻證明，利用量子計算機，可以在多項式時間內將大數分解，這一結果向RSA公鑰系統的安全性提出嚴重挑戰。

Shor的演算法的主要思想為，首先利用數論中的一些定理，將大數的因子分解轉化為求一個函數的周期問題，而後者可以用量子快速傅里葉變換（FFT）在多項式步驟內完成。

除了進行一些超快速計算外，量子計算機另一方面的重要用途是用來模擬量子系統。早在1982年，Feymann就猜測，量子計算機可以用來模擬一切局域量子系統，這一猜想，在1996年由 Lloyd證明為正確的[17]。首先得指出，模擬量子系統是經典計算機無法勝任的工作。作為一個簡單的例子，考慮由40個自旋為1／2的粒子構成的一個量子系統，利用經典計算機來模擬，至少需要內存為240=106M，而計算其時間演化，就需要求一個 240 X 24O維矩陣的指數，這一般來講，是無法完成的。而利用量子計算機，上述問題就變得輕而易舉，只需要40個量子比特，就足以用來模擬。Lloyd進一步指出，大約需要幾百至幾千個量子比特，即可精確地模擬一些具有連續變數的量子系統，例如格點規范理論和一些量子引力模擬。這些結果表明，模擬量子系統的演化，很可能成為量子計算機的一個主要用途。

四、量子計算的困難及其克服途徑

量子計算的優越性主要體現在量子並行處理上，無論是量子並行計算還是量子模擬，都本質性地利用了量子相乾性。失去了量子相乾性，量子計算的優越性就消失殆盡。但不幸的是，在實際系統中，量子相乾性卻很難保持。消相干（即量子相乾性的衰減）主要源於系統和外界環境的耦合。因為在量子計算機中，執行運算的量子比特不是一個孤立系統，它會與外部環境發生相互作用，其作用結果即導致消相干。Uruh定量分析了消相干效應，結果表明，量子相乾性的指數衰減不可避免。Unruh的分析揭示了消相乾的嚴重性，這一結果無疑是對量子計算機的信奉者的當頭一棒。

因為量子計算機本質性地利用了量子相乾性，相乾性的丟失就會導致運算結果出錯，這就是量子錯誤。除了消相干會不可避免地導致量子錯誤外，其他一些技術原因，例如量子門操作中的誤差等，也會導致量子錯誤。因此，現在的關鍵問題就變成，在門操作和量子存儲都有可能出錯的前提下，如何進行可靠的量子運算？

Shor在此方向取得一個本質性的進展，這就是量子糾錯的思想[19]。量子糾錯是經典糾錯碼的量子類比。在三四十年代，經典計算機剛提出時，也曾遇到類似的法難。當時就有人指出，計算機中，如果任一步門操作或存儲發生錯誤，就會導致最後的運算結果面目全非，而在實際中，隨機的出錯總是不可避免的。經典計算機解決此問題，採取的是冗餘編碼方案。我們以最簡單的重復碼來說明其編碼思想。如果輸入1比特信號0，現在可通過引入冗餘度將其編碼為3比特信號000，如果在存儲中，3比特中任一比特發生錯誤，如變成001，則可以通過比較這3比特信號，按照少數服從多數的原則，找到出錯的比特，並將其糾正到正確信號000。這樣雖然在操作中有一定的錯誤率。計算機仍然能進行可靠運算。Shor的編碼就是這種思想的量子類比，但在量子情況下，問題變得復雜得多。量子運算不再限制於態 |0＞和|1＞，而是二維態空間中的所有態，因此量子錯誤的自由度也就大得多。另一個更本質的原因為，量子力學中有個著名的量子態不可克隆定理[20]（我們將另撰文介紹），它指出，對一個任意的量子態進行復制是不可能的。因此對1個單比特輸入態|＞，無法將其編碼為3比特輸入態|＞|＞|＞。這些困難表明，任何經典碼的簡單類比，在量子力學中是行不通的。但Shor卻給出了一個完全新穎的編碼，他利用9個量子比特來編碼1比特信息，通過此編碼，可糾正9個比特中任一比特所有可能的量子錯誤。（關於量子糾錯更進一步的介紹，可參看後續文章（《量子編碼》）。 Shor的結果極其振奮人心，在此基礎上，各種量子糾錯碼接二連三地被提出。最新的結果（尚未出版）表明，在量子計算機中，只要門操作和線路傳輸中的錯誤率低於一定的閾值，就可以進行任意精度的量子計算。這些結果顯示出，在通往量子計算的征途上，已經不存在任何原則性的障礙。