什么是量子信息技術？有哪些？主要技術路線一覽

1 量子信息技術是什么

量子信息技術通過對光子、電子和冷原子等微觀粒子系統及其量子態進行精確的人工調控和觀測，借助量子疊加和量子糾纏等獨特物理現象，以經典理論無法實現的方式獲取、傳輸和處理信息。以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術在信息安全、通信網絡、人工智能、空間探測、生物醫療等諸多領域將產生基礎共性乃至顛覆性的重大影響。量子技術主要可分為三類，分別為量子計算、量子通信和量子測量。

2 量子計算技術路線情況

量子計算依賴量子比特，根據實現量子比特的制備操控方案的不同，當前量子計算其存在超導、離子阱、硅基半導體和光量子多種技術路線，目前尚未出現壓倒性的技術，處于多技術并行狀態。

(1)超導量子芯片：超導量子計算是基于超導電路的量子計算方案，其核心器件是超導約瑟夫森結。超導量子電路在設計、制備和測量等方面，與現有的集成電路技術具有較高的兼容性，對量子比特的能級與耦合可以實現非常靈活的設計與控制，極具規?；臐摿?。由于近年來的迅速發展，超導量子計算已成為目前有希望實現通用量子計算的候選方案之一。超導量子計算實驗點致力于構建一個多比特超導量子計算架構平臺，解決超導量子計算規?；慨a中遇到的難題。

(2)半導體量子芯片：由于經典計算機主要基于半導體技術，基于半導體開發量子計算也是物理學家研究的重點領域。相比超導量子計算微米級別的比特大小，量子點量子比特所占的空間是納米級別，類似于大規模集成電路一樣，更有希望實現大規模的量子芯片?，F在的主要方法是在硅或者砷化鎵等半導體材料上制備門控量子點來編碼量子比特。編碼量子比特的方案多種多樣，在半導體系統中主要是通過對電子的電荷或者自旋量子態的控制實現。

(3)離子阱量子計算：離子阱量子計算在影響范圍方面僅次于超導量子計算。早在2003年，基于離子阱就可以演示兩比特量子算法。離子阱編碼量子比特主要是利用真空腔中的電場囚禁少數離子，并通過激光冷卻這些囚禁的離子。離子阱的讀出和初始化效率可以接近100%，

這是它超過前兩種比特形式的優勢。單比特的操控可以通過加入滿足比特兩個能級差的頻率的激光實現，兩比特操控可以通過調節離子之間的庫倫相互作用實現。

(4)原子量子計算：除了利用離子，較早的方法還包括直接利用原子來進行量子計算。不同于離子，原子不帶電，原子之間沒有庫倫相互作用，因此可以非常緊密地連在一起而不相互影響。

(5)核自旋量子計算：1997年，斯坦福大學的Chuang等人提出利用核磁共振來進行量子計算的實驗，之后，基于核自旋的量子計算迅速發展，Grover搜索算法和七比特Shor算法相繼在核自旋上實現。迄今為止，它的單比特和兩比特保真度可以分別達到99.97%和99.5%。這種方法一般是利用液體中分子的核自旋進行實驗，由于分子內部電子間復雜的排斥作用，不同的核自旋具有不同的共振頻率，因而可以被單獨操控;不同的核自旋通過電子間接發生相互作用，可以進行兩比特操作。下圖是一種用于核磁共振實驗的分子，里面的兩個C原子用13C標記，加上外面5個F原子，它們7個構成實驗用的7個比特，表中是比特頻率、相干時間和相互作用能。

(6)拓撲量子計算：拓撲量子計算是一種被認為對噪聲有極大免疫的量子計算形式，它利用的是一種叫做非阿貝爾任意子的準粒子。為了實現量子計算，首先要在某種系統中創造出一系列任意子-反任意子，然后將這些任意子的兩種熔接(fusion)結果作為量子比特的兩個

能級，再利用編織(braiding)進行量子比特的操控，最后通過測量任意子的熔接結果得到比特的末態。這一系列操作對噪聲和退相干都有極大地免疫，因為唯一改變量子態的機制就是隨機產生的任意子-反任意子對干擾了比特的編織過程，但這種情況在低溫下是非常罕見的，噪聲和其他量子比特系統常見的電荷等相比，影響是非常小的。

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