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系列报告 | 量子计算技术发展趋势

量子创投界

2021-11-17

导读：系列报告 | 量子计算技术发展趋势

量子计算目前还处于原型机研发阶段，量子计算机现在只是刚起步，目前的硬件水平还不能制造出通用的量子计算机。在技术上仍面临多项挑战，主要是实现不了编码逻辑比特，其次还有系统扩展、逻辑门精度、相干消等几个方面，其次，除了要有基础的硬件，对比经典计算机，量子计算也需要有软件、算法以及云平台等技术的支持，所以，今后这些方面将是技术突破的高地和研究重点。

扩展性是需要突破的前提

要实现通用量子计算，前提要把系统扩展到足够大，在拥有数百乃至上千个物理比特的情况下，才有可能获得足够多的逻辑比特。由于噪声的客观存在和物理比特稳定性的一些缺陷，只有通过对多个物理比特的冗余处理，才产生逻辑比特。与物理比特相比，逻辑比特具有更好的容错性。从目前各国的实验进展来看，只能产生几十个量子位，数量较少，实现多物理比特的任意纠缠会随着比特数上升，技术难度呈现指数上升的趋势。因此，想要进一步扩展系统的难度相当大。

相干时间短的问题亟待解决

量子计算有赖于量子纠缠，相干消最通俗的理解就是随着环境、时间的变化，量子之间会失去这种纠缠效应。相干时间直接限制了量子计算机可以连续进行量子操作的最大次数，同时也是实现高保真度量子操作的前提条件，因此为了使运算结果准确，量子计算必须在其发生退相干之前全部完成。目前，消相干时间还停留在微秒到毫秒级别，时间非常短暂，实用性较差。

无法实现编码是最大拦路虎

在通常情况下，量子计算在计算时无法避免量子比特退相干出错，量子编码是用一些特殊的量子态来表示量子比特，以达到保持相干性的目的。主要的量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。其中，量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究最多的一类编码，而且编码难度会随量子比特数量呈指数性增涨，实现一位逻辑比特的编码的难度非常高，目前全球没有任何一家商业公司或科研机构能够做出一个能够容错的逻辑比特，实现不了编码就不可能实现通用量子计算。

逻辑门精度无法满足需要

量子计算机和传统计算机都是用来处理数据的工具，其输出态和输入态之间存在逻辑关系。通常将实现从输入态到输出态演化的单元叫逻辑门。逻辑门精度可以分为单比特门精度和双比特门精度，要制造出标准量子计算机，单比特门精度和双比特门精度都必须达到非常高的要求，理论的阈值需要达到99.9%。一些现在所谓的"量子计算机"的单比特门精度和双比特门精度其实都达不到标准量子计算机的要求。

量子算法、软件、云平台技术仍需持续发力

量子算法通常用量子计算的一些基本特征，如量子叠加或量子纠缠，能够比经典算法更快的解决一些问题。未来，要想充分发挥量子计算机的优势，量子算法必须利用独特的量子特性。因此，量子算法的实现需要一种新的设计原则。目前，核心量子算法依然有限，只在特定问题上具有理论优势，并不能适用于所有问题，未来，研究更多有使用价值的算法，将会为更多领域的应用实践提供支撑。

量子软件尚处于起步阶段，由于量子计算的逻辑与经典计算有很大不同，所以量子程序不同于经典的计算机程序，需要软件编程者和应用开发者具备量子计算的思维和工程适配能力。进一步研究和开发软件工具，使量子计算机完整软硬件工具的同步发展，将加速量子计算机的发展。

目前量子计算机的接入途径包括使用专门搭建的量子系统和通过量子云平台。由于量子处理器对环境的要求十分苛刻，运行条件和维护成本高，通过云服务接入量子处理器的量子计算云平台成为量子计算应用的重要手段，也将有可能成为最终量子计算机应用的主要形式，相关技术还需要进一步研究拓展。

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