再论实用量子信息处理的前景

2000年，Michael A．Nielsen（时任澳大利亚昆士兰大学博士后）和Isaac L．Chuang（美国麻省理工学院的物理系和电气工程系教授）在撰写如今早已成经典教材的《量子计算与量子信息》时，于第一章花了一小节的篇幅深入评述了“实用化量子信息处理的前景”。2003年，我开始念研究生不久，就读了这本书。当时我仔细读了前三章，并把量子信息处理的物理实现作为自己的主要研究方向。近20年后，我参与翻译了此书，又重新读了这些论述，不得不感慨他们的眼光确实是一流的：虽然有些观点稍微过时，但过去20多年量子信息处理的实用化进程，大体上与他们的预测是吻合的。

本书是量子信息领域及物理领域被引用次数最高的图书之一，全球许多高校都使用该书作为量子计算课程的教材，适合对量子计算和量子信息感兴趣的学习者阅读。

在2000年时，量子信息处理理论上最大的瓶颈——噪声问题刚被解决，人们创立了量子纠错码，以及容错量子计算的阈值定理。所以Nielsen & Chuang在一开始就强调这个理论的重要性：如果我们能够把量子计算的噪声水平降低到某个“阈值”之下，就可以通过量子纠错来进一步降低错误率，实现可靠的量子计算机。量子信息处理技术发展的核心目标就是降低错误率，直到超过阈值，实现容错量子计算和量子信息处理。

过去20多年，容错量子计算取得了重大进展，不论是理论还是实验。在2000年时，基于稳定子编码，容错量子计算错误阈值通常被认为在万分之一量级。到2010年前后，人们基于拓扑理论提出了表面码，阈值为1%左右，提升两个量级。随着容错阈值的急剧提升，量子计算的实用化前景一下子就被打开了，获得了工业界越来越多的关注。当然这也需要付出一定代价，利用表面码纠错时，需要消耗更多物理资源，大概1000个物理量子比特，可以实现一个容错的逻辑量子比特。据估算，要实现超越经典计算，且可纠错的实用量子计算机，大概需要1000个逻辑量子比特，那么所需的物理量子比特就是百万个。这在工程上是巨大的挑战！近年来，为了让纠错理论与实验技术更好的匹配，人们也提出了很多新的想法，比如量子错误缓解等。

另一方面，人们对量子系统的控制技术也取得重大进展。在Nielsen&Chuang撰写本书时，最有前途的量子信息处理系统分别为单光子、离子阱和核磁共振系统。近年来，光量子信息处理发展迅速，量子密码技术逐步走向成熟和实用化。基于量子隐形传态的量子网络技术也蓬勃发展。此外，基于光子的量子计算技术也取得长足进步。2020年，中科大的研究组基于光子系统实现了量子优越性实验。与此同时，集成光学与光量子计算结合，也让人们对大规模、可编程的光量子计算前景充满信心。

在2010年后，基于超导电路量子比特的量子计算异军突起，已经与离子阱量子计算和光量子计算一起成为目前最有前途的量子计算候选系统。基于超导电路和离子阱的量子计算机，其量子逻辑门的错误率都已降低到1%以下，达到了表面码的容错量子计算阈值。不仅如此，基于这两个物理系统量子计算机的量子比特数目也在快速增长，目前都逼近100个。基于超导电路的量子计算，也已经于2019年实现了量子优越性实验。正是在此基础上，许多大公司如谷歌、IBM等才信心满满的认为，人们可以在2025年前后首次演示容错量子逻辑门，并到2030年之后实现实用的容错量子计算。目前，从工业界到学术界，人们都在研究如何把实现了量子优越性的中尺度含噪声量子计算机用于处理真正有价值的问题，发挥它独特的作用。

此外，基于硅基半导体量子点的量子计算，虽然量子比特数暂时还不多，但是量子逻辑门错误率最近也降低到容错阈值1%以下。在硅基计算芯片领域具有垄断地位的传统计算机公司如因特尔，对硅基量子点技术情有独钟。如果此技术路径能充分利用传统半导体微加工技术积累，未来前景可期。

最后，随着技术发展，人们逐步确认核磁共振系统难以实现大规模量子信息处理，量子比特数目很难超过10个。但是此技术控制精度高，成本相对较低，且在常温常压下就可以工作，因而成为小尺度系统量子模拟的利器，并在量子信息技术的教学中大放光彩。