量子计算物理实现体系

陈瑞亭

摘要：文章主要介绍了量子计算机的物理实现体系的研究历史和现状。重点介绍了几个具有可集成性的量子计算系统：离子阱体系、半导体量子点体系、腔量子电动力学体系和超导量子体系，这些量子计算机的物理实现体系吸引着国内外研究量子计算的最主要研究力量，是未来量子计算机发展的主要方向。

关键词：量子计算；离子阱；量子点；腔量子电动力学；超导量子

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）36-0139-02

Abstract：This article reviews the development of studies on physical implementations of quantum computation.Some qubit systems such as ion trap， quantum dots， cavity QED，superconductiong Josephson junctions which are generally considered as main candidates of physical realizations for quantum computers are mainly introduced. Studies on those physical implementation systems which will be the future research direction are attracting primary experimental groups in the field of quantum computation

Key words： quantum computation； ion trap； quantum dots； cavity QED； superconductiong Josephson junctions

1 概述

随着人类社会进步，信息呈指数增长，人类对信息处理速度的要求越来越高，但由于“热耗效应”和“尺寸效应”，传统电子计算机的发展逐渐接近瓶颈[1]，也启发人们开始探索如何用量子力学原理构造计算机。

量子计算机是一类依照量子力学规律，能够进行量子信息存储和计算的物理装置。与目前普遍应用的电子计算机的根本区别在于，量子计算机信息处理单元不是比特（bit），而是量子比特（qubit），比特包含0和1两种状态，而量子比特是0和1两种状态的叠加，称为量子叠加态。量子比特叠加态可看做是一个二维复向量，因此能够代表更多信息。量子叠加性、相干性、纠缠性、并行性作为量子计算机的重要特征，是量子计算机的基础，也决定了量子计算机的复杂性。

1982年，美国物理学家Feynman提出将量子力学理论和计算机技术结合起来的设想。1985年，英国牛津大学的Deutsch等人进一步阐述了量子计算机的概念，并提出实现普适量子计算机的重点是研究如何由量子逻辑门构成逻辑网络。1994年AT&T Bell实验室的Shor证明了量子计算在解决质因数分解问题和计算离散对数问题的突出能力，科学界对量子计算机的关注达到了前所未有的程度，量子计算进入到了实验研究阶段。

2 物理实现体系

要真正实现普适量子计算机，需要具备三个基本条件：量子芯片、量子编码和量子算法，它们分别是代表了量子计算机的物理硬件系统、确保计算可靠的底层信息处理系统和提高运算速度的软件系统。量子计算理论方面的进展发展迅速，但量子计算的实验进展则要缓慢得多。按照IBM科学家所提出的DvVincenzon判据，为了进行有效的量子计算，实现量子计算的物理体系需要满足以下基本要求：具有可伸缩的、特性良好的量子比特；量子比特具备初态制备能力；量子比特要有足够长的相干时间；具有完备的幺正操作能力；能够对量子比特终态实施有效的测量。除此之外为实现实用量子计算机，量子计算物理体系还要能够规模集成化，目前的技术水平在量子世界实现规模化是非常困难的。

2.1 离子阱体系

离子阱体系采用受限离子的基态和激发态组成的两能级体系作为量子比特，很多离子被放在“阱”里面形成离子比特单元。离子阱的基本原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子体运动，将其局限在某一个小范围内。早在50年代末离子阱就被应用于改进光谱丈量的精确度。1995年奥地利Innsbruck大学的Cirac和Zoller首次提出利用线性离子阱体系实现量子计算，并展示了如何利用被俘获离子做一个控制非门。该方案利用失谐激光束照射和激光冷却实现量子比特的受控幺正变换和初态制备，从此离子阱方案引起广泛关注。

由于激光冷却在线性离子阱方案中效率很低，并且离子对电场噪声敏感，运动模式存在退相干问题，量子比特的扩展变得很困难。为了提高量子比特的集成数目，解决方法之一是通过设置阱电极，离子在电场力的作用下穿梭于复杂阱结构的不同区域，离子之间相互独立，减小相互之间干扰；另一种方法是利用光学相互作用将小的库仓离子团耦合起来，实现微米尺度的离子纠缠。

晶格离子阱方案中每个离子阱中仅仅束缚单个离子，不同离子阱间隔较远，可以忽略之间的相互作用，相比线性离子阱方案，增大了并行操作效率，且由于离子阱之间互不影响，易于集成[3]。离子阱系统主要挑战在于外加激光强度、频率及相位的不稳定性，微型化和集成化存在巨大的困难，以及高度集成时如何保持有较高的高保真度。

2.2 半导体量子点体系

半导体量子点体系利用当前成熟的半导体加工工艺方法，在平面半导体电子器件上制备单电子晶体管，其电子服从量子力学运动规律，将电子自旋的向上和向下组成的系统作为一个量子比特，这种电子自旋的量子物理体系被认为最有希望成为未来量子计算机的发展方向之一。

2004年，荷兰Delft大学的Kouwenhoven等人首次在半导体器件上实现了自旋量子比特的制备。2005年，美国哈弗大学的Marcus等人成功实现了自旋量子比特的逻辑门操作。2007年底，荷兰Delft大学的Vanderspyen等人在同一块半导体量子点器件上实现了自旋量子计算的全部基本要素：量子比特制备、量子逻辑门操作、量子相干和测量。

但半导体量子点体系受周围核自旋影响严重，如何解决其退相干，维持其量子相干状态遇到了更大的挑战。目前众多研究人员在利用多种新型半导体材料制备量子点方面取得一系列突破：如利用Si/Ge材料、纳米管、单层石墨等新材料制备量子点，这些新材料没有核自旋，因此具有很长的量子相干时间，为半导体量子点的研究开辟了一条新的道路。

半导体量子点体系被认为是最有可能实现大规模量子计算机的候选方案之一，是量子计算机研究领域发展最快的分支。著名量子信息专家、美国IBM公司研究员Dviincenzo在《Science》上发表评论[4]，其认为半导体量子点体系作为未来量子计算的量子芯片是真实可行的。

2.3 腔量子电动力学体系

基于腔量子电动力学（Cavity QED）的量子计算机类似于离子阱量子计算，其中量子信息存储在原子或光子的内部能级中，利用原子或光子与微腔的相互作用控制原子或光子的内部状态实现量子比特之间的耦合。从腔的工作频率来分，腔QED系统可分为微波腔和光学腔。微波腔需要精确控制飞行的里德堡原子的飞行速度，而原子并不适合作为飞行量子位，目前国际上主要集中在光学腔的研究。1995年，美国加州理工学院的Kimble等人第一次验证了工作在强耦合下的光学腔QED可以提供实现量子逻辑门所需要的非线性相互作用。2000年，德国马普研究所的Rempe等人实现了利用基于绝热通道的受激拉曼散射，对量子态进行调控。

由于传统光学腔品质因数、扩展集成、复杂工艺等问题，研究人员开始探索新的光学微腔体系。目前主要研究方向有回音壁模式微腔和光子晶体缺陷微腔。这两种微腔具有较小的模式体积和极高的品质因数，能够提供更强的原子光场相干强度。回音壁模式的微腔加工工艺采用的是传统的半导体刻蚀技术，十分容易集成。目前回音壁模式微腔研究已成为一个国际研究热点[3]。

2.4 超导量子体系

1985年，Leggett提出用超导约瑟夫森结来观测宏观量子现象，随后研究人员在超导约瑟夫森结器件中陆续实现和观测了量子隧穿、能级量子化、量子态相加叠加、量子相干振荡等现象。超导量子体系利用的是超导电极与约瑟夫森结的耦合体系。约瑟夫森结是一种“超导体—绝缘体—超导体”的三层结构。量子比特有超导电荷、超导磁通和超导相位三种形式。这三种超导量子比特的主要区别是约瑟夫森结耦合能和电荷能相对大小不同，磁通量子比特和相位量子比特都以相位作为自由度，约瑟夫森结耦合能大于电荷能，不同的是相位量子比特约瑟夫森结耦合能更大。

目前开展超导量子比特实验研究的有美国、欧洲、日本、中国的约20个小组，是目前进展最快最好的一种固体量子计算实现方法[5]。2001年，德国Karlsruhe University的Makhlin等实现了超导电荷比特。2004年，美国耶鲁大学的Schoelkopf等实现了1个电荷比特与超导传输线腔谐振子之间的强耦合。1999年，美国麻省理工的Orlando等提出了磁通超导比特。2006年，日本NEC实验室的Niskanen等实现了2个磁通比特之间的可控耦合。

超导量子体系的优点在于：超导量子电路的能级结构可以通过对电路的设计或外加电磁信号定制或调控；约瑟夫森量子电路具有目前多数体系都难以克服的可扩展性。超导体系量子计算在未来有很大发展潜力。但是由于量子体系的不可封闭性，在实现超导量子比特体系时，环境噪声、正像电荷表示、寄生电荷（准粒子）的背景起伏等使得耗散和退相干成为不可避免的问题。

目前国际上另一个发展趋势就是超导绝热量子计算。加拿大D-Wave Systems公司推出的D-Wave系列量子计算机采用了基于量子退火的绝热量子计算方式[1]，该公司2015年8月发布D-Wave 2X系统运用了1152 Qubit的架构。2015年12月，美国谷歌量子人工智能实验室宣布在两次测试D-Wave 2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。但对于这种采用非量子门电路的量子退火计算机，科学界一直质疑声不断，但无可否认这种计算机在解决一些特定问题能够大大提高速度，也是目前仅有的能够大规模实现的方式。

3 结束语

本文总结了量子计算物理实现的历史、现状和发展趋势，分析了不同物理实现体系的优势与问题。从目前研究来看，未来哪种物理实现系统最终可研制成通用量子计算机尚无定论。尽管量子计算的物理实现问题不存在原则上的障碍，量子计算的各个基本思想的原理性验证都取得了较大进展，但在集成性技术上的难度还是非常巨大的，但人们相信量子计算机必定能研制出来，这种信念正激励着广大研究人员以更大热情投入到这个新兴领域的研究中。

参考文献：

[1] 周正威，涂涛，龚明，等.量子计算的进展和展望[J].物理学进展，2009，29（3）.

[2] 方粮，刘汝霖，汤振林，等. 量子计算机：量子算法与物理实现[J]. 计算机工程与科学，2012， 34（8）.

[3] 郭光灿，周正威，郭国平，等. 量子计算机的发展现状与趋势[J]. 学科发展， 2010，25（5）.

[4] Divincenzo D P. Science[J]. 2005（ 309）：2173-2174.

[5] 薛飞，杜江峰，周先意，等. 量子计算的物理实现[J]. 前沿进展，2004，33（10）.