量子信息技术发展与应用研究报告(2019年) 量子计算领域研究与应用进展 (一)物理平台探索发展迅速,技术路线仍未收敛 量子计算研究始于上世纪八十年代,经历了由科研机构主导的基 础理论探索和编码算法研究阶段,目前已进入由产业和学术界共同合 作的工程实验验证和原理样机攻关阶段。量子计算包含量子处理器、 量子编码、量子算法、量子软件、以及外围保障和上层应用等多个环 节。其中,量子处理器是制备和操控量子物理比特的平台,量子编码 是基于众多物理比特实现可容错逻辑比特的纠错编码,量子算法和软 件是将计算困难问题与量子计算并行处理能力结合的映射和桥梁。目 前,量子处理器的物理比特实现仍是量子计算研究的核心瓶颈,主要 包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓 扑等多种方案,研究取得一定进展,但仍未实现技术路线收敛 超导路线方面,ooge在2018年推出72位量子比特处理器, Rigetti正在构建更强大的128量子比特处理器。我国中科大在2019 年已实现24位超导量子比特处理器,并进行多体量子系统模拟;同 时,清华大学利用单量子比特实现了精度为988%的量子生成对抗网 络,未来可应用于图像生成等领域。量子比特间的纠缠或连接程度是 影响量子计算处理能力的重要因素之一,目前报道的处理器结构设计 和量子比特纠缠程度不尽统一,大部分并未实现全局纠缠。离子阱路 线方面,IonQ已实现79位处理量子比特和160位存储量子比特。光 量子路线方面,中科大已实现18位光量子纠缠操控,处于国际领先 地位。硅量子点路线方面,新南威尔士大学报道了保真度为99.96%
量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 11 二、量子计算领域研究与应用进展 （一）物理平台探索发展迅速，技术路线仍未收敛 量子计算研究始于上世纪八十年代，经历了由科研机构主导的基 础理论探索和编码算法研究阶段，目前已进入由产业和学术界共同合 作的工程实验验证和原理样机攻关阶段。量子计算包含量子处理器、 量子编码、量子算法、量子软件、以及外围保障和上层应用等多个环 节。其中，量子处理器是制备和操控量子物理比特的平台，量子编码 是基于众多物理比特实现可容错逻辑比特的纠错编码，量子算法和软 件是将计算困难问题与量子计算并行处理能力结合的映射和桥梁。目 前，量子处理器的物理比特实现仍是量子计算研究的核心瓶颈，主要 包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓 扑等多种方案，研究取得一定进展，但仍未实现技术路线收敛。 超导路线方面，Google 在 2018 年推出 72 位量子比特处理器， Rigetti 正在构建更强大的 128 量子比特处理器。我国中科大在 2019 年已实现 24 位超导量子比特处理器，并进行多体量子系统模拟；同 时，清华大学利用单量子比特实现了精度为 98.8%的量子生成对抗网 络，未来可应用于图像生成等领域。量子比特间的纠缠或连接程度是 影响量子计算处理能力的重要因素之一，目前报道的处理器结构设计 和量子比特纠缠程度不尽统一，大部分并未实现全局纠缠。离子阱路 线方面，IonQ 已实现 79 位处理量子比特和 160 位存储量子比特。光 量子路线方面，中科大已实现 18 位光量子纠缠操控，处于国际领先 地位。硅量子点路线方面，新南威尔士大学报道了保真度为 99.96%
量子信息技术发展与应用研究报告(2019年) 的单比特逻辑门和保真度为98%的双比特逻辑门,中科大也实现了高 保真的单比特逻辑门。此外,我国本源量子研发了适用于20位量子 比特的量子测控一体机,用于提供量子处理器芯片运行所需要的关键 信号,实现量子芯片操控 目前,量子计算物理平台中的超导和离子阱路线相对领先,但尚 无任何一种路线能够完全满足量子计算技术实用化的 DiVincenzκo条 件,包括:(1)可定义量子比特,(2)量子比特有足够的相千时间, (3)量子比特可以初始化,(4)可以实现通用的量子门集合,(5) 量子比特可以被读出。为充分利用每种技术的优势,未来的量子计算 机也可能是多种路线并存的混合体系。 (二)“量子优越性”突破里程碑,实用化尚有距离 量子优越性( Quantum Supremacy,也译作“量子霸权”)的概念 由MIT的 John presk诅l教授首先提出,指量子计算在解决特定计算困 难问题时,相比于经典计算机可实现指数量级的运算处理加速,从而 体现量子计算原理性优势。其中,特定计算困难问题是指该问题的计 算处理,能够充分适配量子计算基于量子比特的叠加特性和量子比特 间的纠缠演化特性而提供的并行处理能力,从而发挥出量子计算方法 相比于传统计算方法在解决该问题时的显著算力优势
量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 12 的单比特逻辑门和保真度为 98%的双比特逻辑门，中科大也实现了高 保真的单比特逻辑门。此外，我国本源量子研发了适用于 20 位量子 比特的量子测控一体机，用于提供量子处理器芯片运行所需要的关键 信号，实现量子芯片操控。 目前，量子计算物理平台中的超导和离子阱路线相对领先，但尚 无任何一种路线能够完全满足量子计算技术实用化的 DiVincenzo 条 件，包括：（1）可定义量子比特，（2）量子比特有足够的相干时间， （3）量子比特可以初始化，（4）可以实现通用的量子门集合，（5） 量子比特可以被读出。为充分利用每种技术的优势，未来的量子计算 机也可能是多种路线并存的混合体系。 （二）“量子优越性”突破里程碑，实用化尚有距离 量子优越性（Quantum Supremacy，也译作“量子霸权”）的概念 由 MIT 的 John Preskill 教授首先提出，指量子计算在解决特定计算困 难问题时，相比于经典计算机可实现指数量级的运算处理加速，从而 体现量子计算原理性优势。其中，特定计算困难问题是指该问题的计 算处理，能够充分适配量子计算基于量子比特的叠加特性和量子比特 间的纠缠演化特性而提供的并行处理能力，从而发挥出量子计算方法 相比于传统计算方法在解决该问题时的显著算力优势
量子信息技术发展与应用研究报告(2019年) 来源: Nature,2019.574(779p.505-510 图7 Google Sycamore超导量子计算处理器 2019年10月,《自然》杂志以封面论文形式报道了Goge公司 基于可编程超导处理器 Sycamore,如图7所示,实现量子优越性的 重要研究成果。该处理器采用倒装焊封装技术和可调量子耦合器等先 进工艺和架构设计,实现了53位量子物理比特二维阵列的纠缠与可 控耦合,在解决随机量子线路采样问题时,具有远超过现有超级计算 机的处理能力。 Google研究成果是证明量子计算原理优势和技术潜 力的首个实际案例,具有里程碑意义。这一热点事件所引发的震动和 关注,将进一步推动全球各国在量子计算领域的研发投入、工程实践 和应用探索,为加快量子计算机的研制和实用化注入新动力。 需要指出的是,现阶段量子计算的研究发展水平距离实用化仍有 较大差距。量子计算系统非常脆弱,极易受到材料杂质、环境温度和 噪声等外界因素影响而引发退相干效应,使计算准确性受到影响,甚 至计算能力遭到破坏。发展速度最快的超导技术路线,在可扩展性、 操控时间和保真度等方面也存在局限。此外,可编程通用量子计算机 需要大量满足容错阈值的物理量子比特进行纠错处理,克服退相干效 应影响,获得可用的逻辑量子比特。以运行Shor算法破译密码为例
量子信息技术发展与应用研究报告（2019 年） 13 来源：Nature, 2019. 574(7779): p. 505-510. 图 7 Google Sycamore 超导量子计算处理器 2019 年 10 月，《自然》杂志以封面论文形式报道了 Google 公司 基于可编程超导处理器 Sycamore，如图 7 所示，实现量子优越性的 重要研究成果。该处理器采用倒装焊封装技术和可调量子耦合器等先 进工艺和架构设计，实现了 53 位量子物理比特二维阵列的纠缠与可 控耦合，在解决随机量子线路采样问题时，具有远超过现有超级计算 机的处理能力。Google 研究成果是证明量子计算原理优势和技术潜 力的首个实际案例，具有里程碑意义。这一热点事件所引发的震动和 关注，将进一步推动全球各国在量子计算领域的研发投入、工程实践 和应用探索，为加快量子计算机的研制和实用化注入新动力。 需要指出的是，现阶段量子计算的研究发展水平距离实用化仍有 较大差距。量子计算系统非常脆弱，极易受到材料杂质、环境温度和 噪声等外界因素影响而引发退相干效应，使计算准确性受到影响，甚 至计算能力遭到破坏。发展速度最快的超导技术路线，在可扩展性、 操控时间和保真度等方面也存在局限。此外，可编程通用量子计算机 需要大量满足容错阈值的物理量子比特进行纠错处理，克服退相干效 应影响，获得可用的逻辑量子比特。以运行 Shor 算法破译密码为例