WeBank：先手之棋—2020金融量子計算發展報告（29頁）.pdf

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1、量子計算的技術難點量子計算目前處于基礎研究和原型開發階段，甚至在基礎的物理研究上尚未有本質突破。量子計算的技術難點主要有如下三點：第一，操作和控制量子很難。量子相干和測量的特征決定了制造量子計算機的第一步操控單量子，實現單個原子、光子的非破壞測量與控制，就是很大的難點。何況，量子計算機若要進入商業化，必須提高量子比特的數量，但量子糾纏的特性使量子數目提高后的操控難度加大，出錯概率上升。目前科學家發明了若干種可控的量子系統，最領先的量子計算實驗系統只有兩種一個是離子阱，另一個是超導量子電路。其中超導量子電路被視為最有希望的硬件平臺。它是一套可以在宏觀尺度上對光子和原子進行相互控制和測量的“人造工

2、具箱”。它的各種參數和性質不是由大自然設定，而是可以通過設計在很大范圍內進行調整，讓科學家可以通過工程方法解決各種實驗問題。第二，觀察和測量量子的極端困難性。人們要觀察和測量量子，才能用它來制造計算機。但是，要觀察和操作量子，必然會使之與環境互動。量子在與環境互動過程中會失去量子的純正特性，發生“退相干”。量子退相干的時間就是“相干時間”（coherence time），目前所以最好的超導人造原子相干時間只能維持10到100微秒，所以量子計算機最多只能連續工作萬分之一秒。第三，量子糾錯是目前最大的瓶頸。為了克服量子退相干丟失信息的問題，我們會想到糾錯。糾錯在經典信息技術中就很常見，對信息復制多

3、個副本來防止個別副本的錯誤。在經典計算機中，信息能夠在不同的計算機甚至不同文件夾中能夠復制，能夠在內存中讀寫。但是量子具有不可復制的特性（no-cloning principle），因為復制之前需要量子觀測，這會改變量子的特性。于是人們發明了量子糾錯技術（quantum error correction），把一量子比特信息分散存儲在幾個高度糾纏的量子比特里。單獨的天然或人造原子稱為物理量子比特（physical qubit），人們通過集成多個冗余的物理量子比特和“量子門操作”（quantum gate operation）形成容錯的邏輯量子比特（fault-tolerant logical q

4、ubit），定期地測度這些額外的物理量子比特，發現錯誤征狀來查錯糾錯。經過量子糾錯，邏輯量子比特的壽命會遠超過物理量子比特的相干時間，這才是真正能實用的量子比特。不過，量子糾錯會產生大量的資源消耗，因為一個邏輯量子比特需要多個物理量子比特以及邏輯操作時的門電路，所以盡量降低資源消耗和錯誤概率成為量子糾錯算 法領域的重要研究問題，但仍然比較困難。到目前，任何實驗系統都沒能做出邏輯量子比特。沒有量子糾錯的“量子計算機”就只能在相干時間內做一些最簡單的運算。Google、IBM等公司近兩年一直在比拼芯片上“量子比特”的數量，但其實只是壽命幾十微秒的物理量子比特，邏輯量子比特的數量都是零。研究者們退而求其次，發明了“量子錯誤減少”（quantum error mitiga-tion）策略，較為溫和地減少量子計算的錯誤率，支持簡單計算，延長退相干時間。