提起量子计算，总让人联想到“高大上”，它不仅是各国争夺的研究高地，是顶级学术期刊《自然》和《科学》的宠儿，更时常出现在大众媒体、普通百姓的朋友圈。我认为，这恰是由于它非常符合科学技术研究的“初心”：(1) 满足好奇心。最前沿的研究往往最令人好奇。量子纠缠、不确定性原理等量子物理基本规律不断挑战人类对大自然的直观感受，由这些规律发展起来的量子计算也处处违背人类直觉，这种违背直觉的研究自然最能满足人类的好奇心。(2) 有用。量子计算是最重要的后摩尔技术之一，拥有电子计算机无可比拟的超强计算能力。2012年诺贝尔物理学奖颁奖委员会评价称，量子计算有望在这个世纪里彻底改变人们的生活，正像传统计算机在上个世纪中所做的那样。

1981年在麻省理工学院举办的计算物理第一届会议上，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)在报告中指出，使用经典计算机难以有效模拟量子系统的演化。他首次提出了量子计算机的概念，说明使用量子计算机能够对量子系统的演化进行有效模拟。

20世纪90年代，Shor算法（分解大数质因子量子算法）等量子算法被开发出来，掀起了国际上研究量子计算的第一轮热潮。1994年，麻省理工学院数学家彼得·肖尔(Peter W. Shor)提出分解大数质因子的量子算法——Shor算法，能够在多项式时间复杂度求解RSA密码体系中核心的大数质因子分解问题，与当前最好的经典算法相比具有指数加速性能。随后近20年，量子计算在物理实现、算法、程序设计等各个方向都取得许多重要进展。比如，2012年诺贝尔物理学奖授予了美国科学家大卫·温兰德(David J. Wineland)和法国科学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)，表彰他们在测量和操控单量子系统方面做出的开创性的实验工作，被评价为：在利用量子物理效应构建超快量子计算机方面迈出了第一步。

当前，量子计算领域快速发展，正迎来第二轮研究热潮。起因来自技术的不断进步，以及D-Wave¹、玻色采样量子模拟等非标准量子计算技术受到更多关注。中国、美国、欧盟、英国等国家和地区都在开展对量子计算的研究，谷歌、IBM、微软、阿里巴巴等IT巨头也都纷纷成立量子计算实验室，与高校开展联合研究。相信在本次研究热潮中，量子计算将获得新一轮的重要突破。

基本原理

量子计算是一种与经典计算完全不同的、基于量子比特(qubit)的全新计算技术。图1解释了量子计算的基本原理。经典计算用比特（bit，二进制位，这里称其为经典比特）表示0和1，比如，开关的“关”状态表示为0，“开”状态表示为1。显然，一个经典比特在同一时刻只能表示0或1两个数中的一个。而量子比特的载体遵循量子力学的规律，可以处于0和1的相干叠加态，也就是说，一个量子比特可以同时包含0和1的信息。这种特性称为量子叠加，系统处于量子叠加的能力称为相干性。对叠加的量子比特进行操作，就同时完成了对0和1的操作。这类似于传统计算机中的单指令流多数据流(SIMD)并行；不同之处在于，SIMD并行需要两个经典比特才能完成0和1的并行运算，而量子比特只需一个就可以。更重要的是，量子叠加所能同时表示的数随着量子比特数目的增加而指数增长。N个量子比特能同时包含2^N个数的信息，对这N个量子比特的运算就同时完成了对2^N个数的运算。这种“超并行”的运算方式带来了量子计算的超强运算能力。

图1 量子计算的原理

量子物理中充满了各种违背人类直觉的诡异现象，而它们恰恰是构造量子计算的基本要素。图2中展示了“让这个世界以概率方式运行”的测量和“拥有诡异超距作用”的量子纠缠。图2(a)中对叠加的量子比特进行测量，会改变叠加的量子比特，以概率的方式变为0或1。爱因斯坦不接受用这种概率的运行方式（非决定论），说“上帝不掷骰子”，但大量的物理实验都在不断印证量子物理的预言结果。量子纠缠是一种特殊的量子叠加状态（称为叠加态）。图2(b)中有两个量子比特，将00和11叠加在一起。如果对这两个量子比特进行测量，它们会塌缩到00或者11。但是，如果第一个量子比特变成了0，那么第二量子比特也一定会变成0；同样地，如果第一个变成1，第二个也一定会变成1。关键在于，无论这两个量子比特相距多远，即使一个在地球上，另一个在火星上，如果一个量子比特发生塌缩，另一个也会以关联的方式瞬时塌缩。

图2 量子测量与量子纠缠

挑战与专题文章介绍

如何实现量子计算机，是目前量子计算领域公认的最大挑战。图3解释了大规模量子比特系统面临的退相干问题。要保持量子系统的相干性，就需要让其与环境尽可能隔离，而计算所需的“操控与测量”本质上又是外界与量子系统的主动交互，“与环境隔离”和“与外界主动交互”形成一对矛盾。这种困难在大规模量子比特上变得更加突出，这也是量子效应很少在宏观系统中显现的重要原因。比如，“薛定谔的猫”等人类生活的宏观尺度里，环境与系统的作用难以避免，“环境对系统的测量”使得系统很难处于叠加的量子态。

图3 大规模量子比特系统面临的退相干问题

与此同时，一项非常重要的“非技术”挑战是物理学、计算机科学等多个学科的交叉合作。在电子计算机中，应对同一问题往往有多种解决方案。比如，针对器件的可靠性问题，可以在物理电路层改进，也可以在数据编码时引入纠错码，还可以在系统结构层增加多模冗余等纠检错机制。现有的量子计算研究中，至少可以划分为：量子算法²、量子程序设计、量子计算机体系结构、量子计算物理实现等多个层次。这些层次的研究目前分布在不同学科，学科之间的交叉合作明显不足，尚有很大的发展空间。为此，本期专题特别邀请了计算机科学和物理学两个领域的专家学者，从量子计算的多个方面，向读者介绍量子计算领域的研究及进展。

量子算法是量子计算研究的重要推动力。20世纪90年代，正是Shor算法的提出，让人们认识到量子计算的巨大价值；现阶段，引起大家再次关注量子计算的原因之一，恰恰还是量子退火、玻色采样等量子算法或与其有关的研究。英国布里斯托大学阿什利·蒙塔纳罗(Ashley Montanaro)博士撰写、国防科学技术大学薛诗川等翻译的《量子算法综述》一文³，系统介绍了量子算法领域的重要进展，包括隐含子群问题、搜索问题、量子模拟、量子漫步、线性方程组求解等。

软件是传统计算机的“灵魂”，量子软件和量子程序对于发挥未来量子计算机的强大计算能力也有着不可替代的重要作用。由于量子计算的一些独特性质，如量子信息的不可克隆性、量子纠缠等，传统电子计算机的软件理论与方法并不能直接运用于量子计算机。量子程序设计研究，不仅是为了开发量子计算机上的程序和软件，还能够让我们进一步理解和认识量子计算本身。悉尼科技大学杰出教授、清华大学教授应明生撰写的《量子程序设计研究的近期进展》一文，介绍了量子程序设计语言及其实现，量子程序的语义、分析及验证，量子通信并发系统，以及量子计算独特的“程序叠加”等。

量子计算物理实现是当前的研究焦点，目前研究的物理体系包括：光量子、量子点、离子阱、超导、冷原子、金刚石色心、核磁共振等。各种物理体系拥有各自的优缺点，究竟哪种体系是最佳的量子计算物理实现途径尚未可知。同时，有观点认为未来的量子计算机会是多种物理体系的混合，类似于经典计算机，CPU用CMOS晶体管，内存DRAM用电容，硬盘用磁介质，光盘用光介质。本期的另外三篇文章分别介绍超导与拓扑、半导体量子点、光量子等几种主流的量子计算物理实现体系的研究。

超导属于固态量子物理体系，采用现代微纳加工技术，近年来发展迅速，受到广泛关注。拓扑量子计算是一种极其优美、全新的理论和实验方法，对局部扰动引起的退相干免疫，伴随马约拉那费米子等近期基础物理研究的突破受到越来越多的关注。丹麦哥本哈根大学访问学者邓明堂博士等在《超导和拓扑量子计算简述》一文中，介绍了超导量子计算、拓扑量子计算的原理和最新进展。

半导体量子点也属于固态量子物理体系，是最容易大规模集成的物理体系之一。中国科学技术大学李海欧博士等在《半导体量子点量子计算》一文中，介绍了半导体量子点量子计算的原理、研究进展与发展方向。

光子是“飞行量子比特(flying qubit)”，不仅可以作为量子处理单元的物理载体，还可以作为“链接”多个量子系统的桥梁，在未来的量子计算中占据着重要地位。国防科学技术大学吴俊杰博士等在《光量子计算》一文中，介绍了光量子计算的原理、优势与挑战、研究进展及新方向。

离子量子比特的相干时间非常长，离子阱也是研究最早和发展最快的物理体系之一。国防科学技术大学陈平形教授等人写了一篇《囚禁离子量子计算：原理、现状与前景》的文章，介绍了离子量子计算的原理、研究进展并分析了发展前景。此文将在以后的视点栏目刊出。也希望得到大家的关注。

展望

量子计算机最终什么时候实现？围绕这一话题，有乐观派也有悲观派，我也没有答案。仅在此分享几个个人观点，希望能帮助读者进一步认识量子计算，期待更多学者加入到这个“满足好奇心又有用”的研究领域，推动量子计算机的早日实现。

量子计算机不会是电子计算机的替代品，而是一种有效的补充。

量子计算机不会是电子计算机的一种更快、更大或更小的版本，而会成为在电子计算机不能胜任的领域求解特殊问题的计算系统，是传统计算机的一种有效补充。2010年，莱德(Ladd)等人在《自然》上发表的一篇综述中，将量子计算机比作激光器。激光器诞生之前，灯泡等非相干光源已经广泛使用。作为一种相干光源，激光器诞生后并未替代灯泡用来照明，而是用到了工业、通讯、科学、娱乐等人们工作和生活的方方面面，发挥了极大的作用。传统电子计算机是一种“非相干计算”，而量子计算机恰是一种“相干计算”。量子计算机的发明也将像激光器那样，不会替代电子计算机，而是发挥甚至目前也无法预知的重要作用。

量子计算是“最高境界”的量子信息技术。

量子信息技术利用量子效应，为人类突破信息感知、传输和处理的经典极限提供了新的理论方法和技术途径。比如，量子通信中的量子密钥分发技术，利用测量塌缩和量子不可克隆定律等实现理论上的无条件安全；量子精密测量技术，利用量子纠缠等实现对经典测量极限的超越……。在这些技术中，量子计算的要求最高，其研究涵盖了很多其他量子信息技术的关键原理与方法。一旦量子计算技术取得突破，必将带动整个量子信息领域的全面发展。

比起标准的量子计算，非标准量子计算或量子模拟更有可能尽早实现。

标准量子计算（也被称为通用量子计算）采用线路模型，需要大量量子门的操控，实现难度大。事实上，费曼首次提出“量子计算”概念时，旨在实现对量子物理过程的模拟，而这种量子模拟是经典计算机难以有效解决的。随着量子计算技术的不断突破，类似D-Wave、玻色采样等非标准量子计算机或量子模拟机，更有可能尽早实现。

集成化和小型化成为构造大规模量子比特系统的主要发展方向，为量子计算技术的发展提供了重要途径。

量子点、超导等量子体系本身就属于固态量子计算方案，因其小型化的技术优势受到人们的广泛重视。光量子计算、离子阱量子计算等也正在向芯片化方向发展。这种集成化和小型化的研究给构造更大规模的量子比特系统提供了重要的技术途径，将是未来的研究重点。

学科交叉将为量子计算研究注入新的活力，助其取得更大突破。

正如哥德尔不完备性定理4所揭示的那样，当我们在一个学科领域遇到难题时，也许在比它更大的领域能够寻找到答案。我相信，通过物理学、计算机科学等多个学科的交叉合作，量子计算研究一定能取得更大突破。■

致谢：

衷心感谢QUANTA课题组的丁江放、贺红娟、刘英文、刘雍、王冬阳、王会权、王洋、薛诗川、易勋、朱玄，感谢大家在本期专题准备中的帮助与付出，感谢大家在量子计算研究旅途上所有的陪伴！

脚注：

¹ D-Wave量子计算机不同于传统意义上的量子计算，采用量子退火模型（属于绝热量子计算），主要求解伊辛模型相关的优化问题。虽然D-Wave的量子加速性能仍受质疑，但其采用不同于标准量子计算模型（线路模型）的非标准量子计算技术，受到越来越多关注。

²由于测量会带来塌缩，要利用量子叠加带来的“超并行”处理能力，需要设计精巧的量子算法，使得仍然能够通过测量获得所需的问题解。

³原文“Quantum algorithms: an overview”于2006年1月发表在自然出版集团合作期刊Quantum Information杂志上。

⁴哥德尔第一不完备性定理：任何一致的（不矛盾的）形式化系统，如果它的功能强大到包含了基本的算术运算，那么总能在这个系统中找到一个命题，这个命题不能被这个系统证明也不能被这个系统证否（笔者注：需要一个比这个形式化系统更大的系统，在大系统中能够证明或证否这个命题）。

哥德尔第二不完备性定理：任何一致的形式化系统，如果它的功能强大到包含了基本的算术运算，那么它的一致性不能由它本身来证明（笔者注：需要一个比这个形式化系统更大的系统，在大系统中能够证明小系统的一致性）。