超导量子计算

量子计算最近几年频繁出现于各种科技新闻报道。量子计算机凭借其强大的计算能力，将会给人类信息处理的方式带来颠覆性的改变。当然，美好的东西往往不是那么容易实现。事实上，量子计算的理论早在上个世纪80年代就有了，过去几十年里，大量的科学家一直致力于实现量子计算机，但直到今天我们还没有真正可用的量子计算。可见实现量子计算机是非常困难的。

去年，谷歌利用超导量子计算机首次在实验上证实了量子计算机具有远远超过超级经典计算机的计算能力，展示了“量子优越性”（见下图）。这是一个划时代的实验，要知道，以前量子计算机的超强计算能力仅仅是理论上的估计，从未被实验证实过，在实际中是否真正可行是一直存在质疑的。从此以后，量子计算机具备超强计算能力成为确切无疑的事情。

图片来自 Nature, 574, 505–510 (2019)

然而，我们离制造出一台有实用价值的量子计算机还非常遥远。量子称霸实验仅仅是通过一个特殊设计的算法，证实了量子计算机具备超强计算能力，但这个算法是没有任何实用价值的。按照现在的估计，一台能求解有实用价值问题的超导量子计算机，需要有上百万个量子比特，而现在规模最大的超导量子计算机仅仅包含53个量子比特。可见我们离实用量子计算机还有多遥远。

为什么需要上百万个比特呢？那是因为量子计算理论上所说的比特，是指完美的、不会发生任何错误的比特，专业上叫作“逻辑比特”。然而现实中的东西总是不完美的，超导量子计算机中的量子比特也是这样。我们把实际量子计算机中的量子比特叫做“物理比特”。对一个物理比特进行操作，结果会有一定概率出错。会出错倒也没什么，现实中大部分事情都这样，只要出错率低于能够容忍的阈值就可以了。

对量子计算机，麻烦在于，要想求解有实用价值的问题，这个能容忍的阈值实在太低，大概在百万分之一。这个阈值低到有多恐怖呢，拿超导量子比特来说，对它的操控是通过10纳秒级微波脉冲实现的，这意味着要在一亿分之一秒的时间内，实现百万分之一精度的控制！大家知道，快的东西一般不准，准的东西很难快，而直接实现理想量子比特却要求同时做到极致快和极致准，这远远超出了人类科技所能达到的高度。量子计算机只能另寻解决方案：量子纠错。这就是我们为什么需要上百万个物理比特的原因。

做到一百万个量子比特有多难？我们可以看看超导量子计算的发展史：2000年左右，第一个超导量子比特研制成功；然后经过15年左右的发展，2014年左右，超导量子计算处理器做到了10比特水平；又经过近5年的发展，到2019年，超导量子计算处理器做到了50比特水平。从这可以看出，要做到一百万个比特是极具挑战的事情，超导量子计算的发展还在很初步的阶段，还有很长的路要走。

面临的挑战首先是量子比特的实现本身就是非常具有挑战性的技术。要实现量子计算，重要的不仅仅是比特的数量，比特的质量更关键。而前面说到的量子纠错是质量不够，数量来凑并。这个说法其实并不准确，严格来说，要实现量子纠错，物理比特的错误率必须低于某个阈值。

量子比特能达到的操控精度由比特本身的性能、测量系统的水平、量子调控的水平三方面共同决定。这三方面每一项的提升都是一个系统工程。超导量子计算发展到今天，依赖的技术大多是现有的成熟技术。这主要是因为超导量子处理器的规模还不是很大，从设计、制备、测试到操控，都可以直接用商用的仪器设备或经过简单的改造来实现，和常规的科学研究课题没本质区别，可以完全按照基础科研的模式开展研究。

图片来自 Annual Reviews of Condensed Matter Physics 11, 369-395 (2020)

当超导量子处理器规模达到几十个比特甚至更大以后，大部分商用仪器已经无法满足需求，甚至现有技术都无法满足需求，需要系统性地从头开发整套的仪器设备和技术，这包括：

一、超导量子芯片设计、仿真软件，类似于半导体芯片领域的EDA软件。超导量子计算机的核心部件是超导量子处理器芯片，和半导体集成电路芯片一样，规模大了以后纯靠人手工无法完成设计、仿真，需要EDA软件辅助设计和仿真。超导量子处理器芯片基于独特的超导约瑟夫森结这种非线性器件，基本组成单元是量子器件而不是传统电子学元件。和半导体芯片电路特性完全不同，其电路原理和结构设计遵循完全不同的逻辑，不可能直接使用现有的半导体芯片设计EDA软件，需要重新开发；

二、大规模超导量子芯片制备产线，类似于半导体芯片制备产线。超导量子处理器芯片基于超导材料，对制备和工艺有特殊要求，这意味着芯片制备需要专门的工艺和设备产线；

三、超导电子学技术和低温电子学技术。当芯片集成比特数达到数千个以后，按照现有的模式，用室温电子学控制设备控制每一个比特几乎不可能实现，需要将比特的控制部分和量子芯片集成，能够达到这个目标的唯一技术是超导电子学。目前超导电子学技术还处在非常基础的阶段，实际应用非常少，如何与量子芯片集成更是有待研究的全新课题；

四、大功率极低温制冷机。超导量子处理器只能在10mK左右的极低温（约零下273.14度）下才能工作，而且还要求提供足够的制冷功率，目前能做到的只有稀释制冷机。当前的稀释制冷机技术仅能做到满足数百个比特的需求，支持更大规模的量子芯片的技术仍是一个待研究的课题。

当然，如果一百万个量子比特最终被证实在实际中是很难实现的，实用量子计算也不是完全没有希望。我们通常所说的实用量子计算需要百万级别的量子比特，是基于已知的量子算法和现有的比特操控错误率，但不管是量子算法还是比特操控错误率，将来都有可能出现新的突破。一方面，制备工艺、量子调控技术的提升会让物理比特的出错率降低，大大降低实际需要的物理比特数，另一方面将来有可能提出全新的实用量子算法，对量子比特出错阈值有更低的要求，也会大大降低实际需要的物理比特数量。这两方的突破很有可能在不久的将来，在人类实现通用量子计算这个遥远目标前，为量子计算带来一些近期的有价值应用，量子人工智能就是其中的一种可能。