李曉巍，付祥，燕飛，鐘有鵬，陸朝陽，張君華，賀煜，尉石，魯大為，辛濤，陳濟雷，林本川，張振生，劉松，陳遠珍，俞大鵬,6

（1.南方科技大學量子科學與工程研究院，廣東深圳 518055；2.深圳國際量子研究院，廣東深圳 518048；3.廣東省量子科學與工程重點實驗室，廣東深圳 518055；4.國防科技大學計算機學院，長沙 410073；5.中國科學技術大學近代物理系，合肥 230026；6.南方科技大學物理系，廣東深圳 518055）

一、前言

近年來，發(fā)達國家、高科技公司高度重視量子計算，制定長遠發(fā)展規(guī)劃并投入重要資源以推動技術發(fā)展。伴隨著量子計算技術的一系列標志性進展，世界各國對量子計算的關注從學術界逐漸擴展到全社會。量子計算已經(jīng)成為內涵豐富的技術領域，涉及內容從最前沿的數(shù)學、物理等基礎研究延伸到與諸多工程學科的交叉融合，再到高度工程化的應用技術開發(fā)，高速發(fā)展勢頭不減。因此，系統(tǒng)探究量子計算領域全貌極為困難，而深入了解其各個方面則幾乎不可能。立足量子計算顯著進步的歷史節(jié)點，對相應發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀進行相對全面的梳理與總結，同時就領域未來發(fā)展進行思考和展望，既富有價值，也是更好推動我國量子計算領域發(fā)展的必然環(huán)節(jié)。

量子計算乃至更為廣泛的量子信息領域，是基于量子力學原理發(fā)展形成的一套關于信息本質及其處理的概念和技術體系。量子計算思想及概念的形成經(jīng)歷了相當長的時期[1]。一些物理學家、數(shù)學家受不同動機驅動而開展的基礎研究，對量子計算發(fā)展起到過關鍵性的推動作用。至少在量子計算的發(fā)展早期，這一領域的基礎邏輯與摩爾定律失效、計算能力提升等并無密切關系；了解這一點有助于正確看待量子計算的歷史，也為如何推動未來發(fā)展提供了更深刻的視角。物理學家Feynman、數(shù)學家Manin 都曾指出，由于量子疊加、量子糾纏的存在，經(jīng)典計算無法對量子體系進行高效模擬；Feynman進一步提出了利用可控的量子計算機去高效模擬待研究量子體系的可能性。1994年，數(shù)學家Shor提出了大數(shù)質因數(shù)分解的Shor量子算法[2]；這是第一個具有明確目的且應用價值突出的量子算法，對當今最優(yōu)秀的公開密鑰方案之一（RSA公開密鑰密碼）構成了威脅。

早期的量子計算技術路線包括核磁共振、超導量子線路、半導體量子點、囚禁離子阱、冷原子等，研究者在這些平臺上先后實現(xiàn)了量子比特及其精確操控；在一些比較成熟的平臺上（如核磁體共振），研究者甚至很快展示了小規(guī)模的量子算法。然而，當時學術界對于量子計算的可行性依然有很多質疑，特別是能否有效克服退相干造成的量子信息丟失。隨后，量子計算發(fā)展的里程碑是量子糾錯理論的建立。Shor和Steane獨立提出了量子糾錯碼概念，其基本原理和經(jīng)典糾錯類似，都是基于冗余編碼思想；基于量子糾錯碼，Shor提出了在含噪量子體系中構建容錯量子計算的框架。1997 年，Kitaev發(fā)現(xiàn)了量子糾錯和拓撲物態(tài)之間的關系，指出后者受拓撲保護的簡并態(tài)可用作邏輯比特；Kitaev 和Bravyi 提出的表面編碼，成為第一個受拓撲保護的量子比特模型；2001年，Kitaev和Preskill等進一步指出，如果能夠實現(xiàn)低于1%的所謂容錯閾值，則可以用表面編碼進行量子糾錯，此即后來成為量子糾錯主流技術的表面糾錯碼。這一系列工作為實現(xiàn)可容錯量子計算確立了理論基礎[1]。

自Feynman等提出量子計算的原始思想至今已有40多年，相應進展令人矚目；但不可否認的是，依然沒有實現(xiàn)量子計算的任何實際應用。關于量子計算應用，學術界普遍認為：量子計算并不能全面替代經(jīng)典計算；量子計算本身具有很多的限制；原則上經(jīng)典計算可以替代量子計算，二者區(qū)別主要在于效率的高低。合理估計，在實現(xiàn)可容錯通用量子計算之前的很長一段時間內，我們都處在“中等規(guī)模含噪聲量子”（NISQ）時代[1,3]；量子計算的主要用途是為基礎物理研究以及發(fā)展更為高級的量子操控技術提供一個平臺。盡管這種應用和研究者心目中的實用化量子計算相去甚遠，但仍具有鮮明的意義。因此，就目前理解的量子計算而言，量子體系模擬依舊是量子計算的主要用途。可以合理推測，在量子體系模擬的基礎上將會衍生出服務于藥物開發(fā)、新材料、農(nóng)業(yè)等領域的量子計算技術，但應清楚認識到這些衍生應用是遙遠的可能性（而不是已經(jīng)或即將實現(xiàn)的技術）。

綜合而言，對于量子計算發(fā)展需有清晰的大局觀：前途一定光明，但道路必定曲折。一方面，應保持樂觀的態(tài)度：在非?；A的層面上改變了我們世界觀的科學理論，其技術化應用必然也是革命性的；但另一方面，越是顛覆性的技術，越難在實用化前進行具體預期。量子計算和現(xiàn)有的信息技術存在極大的不同，很難預言量子計算技術的長期影響；量子計算領域的進步不會是簡單的線性歷程，應盡量避免基于現(xiàn)有技術和進展的線性外推來預判其長遠發(fā)展。

本文由10個章節(jié)構成。第一節(jié)簡要介紹量子計算的基本概念、思想源頭、歷史/現(xiàn)狀/趨勢，第二節(jié)討論量子計算的理論、算法和應用；第三節(jié)討論量子軟件與控制體系結構；第四到第八節(jié)討論5個代表性的量子計算技術路線（超導量子計算、分布式超導量子計算、光量子計算、囚禁離子阱量子計算、硅基量子計算），其中正在蓬勃發(fā)展的分布式超導量子計算可能對未來實現(xiàn)大規(guī)模量子計算非常關鍵；第九節(jié)討論其他類別的量子計算技術路線（中性原子、金剛石氮空位色心、核磁共振、自旋波、拓撲量子計算）；第十節(jié)給出有關我國量子計算領域發(fā)展的一些思考和建議。

二、量子計算的理論、算法與應用

（一）理論與算法

回顧40多年來的量子算法發(fā)展歷史，大致可分為4個階段：①1985—1992年，尋找示例型算法以展示量子計算的優(yōu)越性；②1993—1994年，尋找實用性算法以展示量子優(yōu)越性；③1995 年至今，尋找量子算法以拓展量子計算的適用范圍；④2013年至今，開發(fā)面向NISQ時代量子處理器的量子算法，尋求量子計算的實用化。

在Feynman提出量子模擬之后不久（1985年），Deutsch將這一思想數(shù)學化地表達為量子圖靈機[4]，進而提出了第一個量子算法，展示了量子計算在簡單決策問題方面相比經(jīng)典計算的優(yōu)勢，與量子圖靈機等價的計算機可稱為為量子計算機；隨后Deutsch 提出了在物理實現(xiàn)上更加可行的量子線路模型[5]。1993年，Yao證明了量子線路模型與量子圖靈機的等價性，量子線路模型隨后成為通用量子計 算 機 的 標 準 模 型 [6]。1993 年 ，Bernstein 和Vazirani 提出了通過一次調用量子黑盒查找二進制串的算法[7]；更為重要的是，建立了量子計算復雜性理論，從理論上證明量子計算機在解決某些問題時比經(jīng)典計算機更為高效。

1994年，Shor提出了量子傅里葉變換算法和離散對數(shù)算法，進而獲得質因數(shù)分解算法[2]。Shor質因數(shù)分解算法是第一個具有實用價值、相比已知最優(yōu)經(jīng)典算法具有指數(shù)加速性能的量子算法，極大推動了學術界對量子計算研發(fā)的關注與投入。1995年Kitaev等提出的相位估計算法后成為許多量子算法的關鍵組成部分。1996年，Grover提出了查找算法，可在無序集合查找問題上獲得相較于經(jīng)典計算的平方級加速性能[8]。1996 年，Lloyd 參考Suzuki、Trotter 等的工作，提出了局域哈密頓量模擬算法[9]，從而確立了量子化學模擬的基礎。2009 年，Harrow、Hassidim 和 Lloyd 提出了將相位估計應用于線性系統(tǒng)求解的HHL 算法 [10]。2011 年，Panella 和Martinelli 等提出了量子神經(jīng)網(wǎng)絡[11]。HHL算法、量子神經(jīng)網(wǎng)絡明確了量子計算在人工智能（尤其是機器學習）領域的應用前景。谷歌公司研究表明，量子機器學習是近期取得量子優(yōu)越性的關鍵候選應用[12]。2013年，哈佛大學研究團隊提出了變分量子特征值求解算法（VQE）[13]，使得NISQ 時代的量子處理器進行量子化學模擬成為可能。2016 年，F(xiàn)arhi 等基于VQE 算法提出了量子近似優(yōu)化算法（QAOA） [14]，用于量子計算加速組合優(yōu)化問題的求解。

上述算法顯著擴展了量子計算機的應用范圍，使量子計算機在數(shù)據(jù)快速搜索與排序、量子化學模擬、人工智能與機器學習等諸多領域表現(xiàn)出可觀的潛力。尋求可在NISQ 時代的量子處理器上運行、能夠解決實際問題的算法，是當前量子計算領域的核心研究問題。

（二）潛在應用

量子化學模擬是量子計算重要的潛在應用之一。當前的計算化學方法所需資源隨著待研究系統(tǒng)的規(guī)模增大而呈指數(shù)增長。針對這一問題，研究者嘗試設計更高效的量子化學模擬算法，如利用量子相位估計、VQE 算法來計算分子基態(tài)及其能量。VQE算法所需的資源相對較少，具有一定的抗噪聲能力，將在NISQ 時代發(fā)揮重要作用。當前的量子化學模擬研究聚焦于在實際量子硬件上模擬更大的分子體系，實現(xiàn)對氫化鈹、水等分子的模擬，在經(jīng)典模擬器上對乙烯、氰化氫等分子的模擬是主要的成果。雖然這些成果展示了VQE 算法的普適性和可行性，但距離體現(xiàn)量子計算優(yōu)越性尚有距離。后續(xù)，在提升量子計算硬件性能的同時，不斷改進算法（如設計更好的變分擬設、使用更合適的參數(shù)化和優(yōu)化方法等），以發(fā)展出具有實用價值的量子化學模擬算法。

QAOA算法作為淺層的變分算法，用于近似求解組合優(yōu)化問題，適合在NISQ 時代的量子硬件上執(zhí)行。在QAOA提出之初的基本思路是將絕熱演化算法離散化，之后QAOA與量子行走之間的聯(lián)系獲得明確，從而更新了對QAOA的理解。除了處理組合優(yōu)化問題，QAOA也應用于求解線性方程組、構建變分量子搜索算法等。研究者提出了一系列加速QAOA經(jīng)典優(yōu)化的方法，分為啟發(fā)式初始化、機器學習輔助優(yōu)化兩類。此外，關于QAOA是否具有潛在的量子優(yōu)勢以及其可訓練性，還需深入研究。

量子機器學習將機器學習與量子體系結合，研究內容分為經(jīng)典機器學習在物理系統(tǒng)中的應用、基于量子神經(jīng)網(wǎng)絡的經(jīng)典機器學習算法設計及實現(xiàn)兩個方向。經(jīng)典機器學習面臨的挑戰(zhàn)之一在于數(shù)據(jù)量、計算量逐漸逼近經(jīng)典計算模式的極限，而量子體系或量子算法具有完全不同于經(jīng)典計算的學習范式，因而傳統(tǒng)機器學習在量子體系中的實現(xiàn)為突破經(jīng)典極限提供了可能性。相關研究成果包括量子主成分分析、量子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、量子光學系統(tǒng)中深度學習網(wǎng)絡的實現(xiàn)、量子生成對抗網(wǎng)絡等。目前存在的問題突出表現(xiàn)在深度學習運行機制的有效理論闡釋缺失、量子計算潛力的探索及挖掘。

三、量子軟件和控制體系結構

量子軟件和控制體系結構是連接量子算法與量子物理系統(tǒng)的“橋梁”，也是構成量子計算系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。量子算法用于設計量子計算機解決具體問題的流程，需使用量子程序設計語言來描述；經(jīng)量子編譯器翻譯并優(yōu)化，生成可在硬件上執(zhí)行的底層格式程序，如量子匯編、二進制與波形數(shù)據(jù)等。量子測控系統(tǒng)執(zhí)行底層格式程序并生成相應信號，實時控制量子比特，完成量子門操作及測量。量子控制體系結構指量子測控系統(tǒng)的組織方式及其軟硬件接口。

（一）量子軟件

量子程序設計語言研究始于1996 年Knill 提出的量子隨機訪問機器模型，后續(xù)基于該模型得到了量子程序的偽代碼表示。計算機科學家研究了量子算法的特點及執(zhí)行要求，不斷完善量子程序設計的各種理論基礎[15]，如量子程序的基本結構和語義規(guī)范、量子程序的形式化驗證、量子遞歸、反計算、量子-經(jīng)典協(xié)同計算等。在量子程序設計理論的指導下，量子軟件工程穩(wěn)步發(fā)展，催生出一系列量子程序設計語言。每一門量子語言都對應有量子編譯器，二者協(xié)同發(fā)展，逐步支持經(jīng)典邏輯綜合、量子門分解、自動求逆、量子反計算、層次化的量子線路描述、量子-經(jīng)典混合編程、基礎量子實驗表達能力等功能。

目前，生態(tài)環(huán)境良好的量子程序設計語言有Qiskit、Q#、PyQuil、PennyLane 等。在編譯器方面，Qiskit 轉譯器吸引了眾多開發(fā)者的反饋，不僅支持量子編譯的基礎功能（如量子比特的映射與調度、量子門分解等），還支持面向特定領域的編譯優(yōu)化（如量子化學模擬）。QCOR語言在支持量子-經(jīng)典混合編程、多種前端/后端以及跨語言轉換方面富有特色。國內的量子程序設計語言有QPanda、Quingo[16]、isQ[17]等。在量子編譯器領域，使用多層次中間表示（MLIR）作為核心基礎設施方興未艾，Quingo、isQ 語言均基于MLIR 來開發(fā)編譯器。吸引更多的用戶和開發(fā)者、提供更豐富的庫及支持工具來構建量子軟件生態(tài)環(huán)境，是當前各種語言開展應用競爭的重點。

（二）量子控制體系結構

量子軟硬件接口旨在提供全面、靈活的軟件編程方式，進而支持量子應用在測控系統(tǒng)上的執(zhí)行（面向上層軟件）。量子測控系統(tǒng)的組織方式關注電子學設備以可擴展的方式，根據(jù)量子軟硬件接口格式程序產(chǎn)生的模擬信號來接受控制并測量量子比特，以必要的反饋控制來執(zhí)行具體的量子應用。

以超導量子線路的測控系統(tǒng)為例說明量子控制體系結構。已有的超導量子測控系統(tǒng)可分為兩代。第一代主要由可直接生成和接收模擬微波信號的設備組成，系統(tǒng)易于實現(xiàn)，但因缺乏反饋控制而使可擴展性和編程能力受限。2017年，代爾夫特理工大學研究團隊提出了QuMA微體系結構[18]，可實時生成時序精確的控制信號，兼具可靈活編程的反饋控制能力和更好的可擴展性；這類基于定制數(shù)字邏輯（尤其是使用指令集）的量子測控硬件系統(tǒng)可稱為第二代量子測控系統(tǒng)。國際上主流的測量系統(tǒng)供應商（如蘇黎世儀器、是德科技、量子機器等品牌）均推出了第二代量子測控系統(tǒng)產(chǎn)品；國內企業(yè)啟動了第二代量子測控系統(tǒng)的研發(fā)（如QuAPE）[19]。

量子控制體系結構當前面臨的主要挑戰(zhàn)在于，以極低的反饋延遲（百納秒級別甚至更短）實現(xiàn)可編程的反饋控制，同時保證測控系統(tǒng)的可擴展性。量子軟件、量子控制體系結構理應緊密對接，而兩個方向的發(fā)展仍相對獨立，存在著能力不相匹配的現(xiàn)實問題；協(xié)調量子軟件與量子測控系統(tǒng)的發(fā)展以實現(xiàn)無縫對接，是量子計算機工程面臨的又一挑戰(zhàn)。

四、超導量子計算

超導量子計算路線的優(yōu)勢在于：超導量子芯片的制備工藝與微納加工技術兼容，具有較好的可擴展性；超導量子比特及相關器件的參數(shù)具有良好的設計自由度；超導量子線路的操控使用成熟的微波電子學技術，速度快、可操控性好。超導量子計算的實現(xiàn)方案主要是基于量子門的量子線路方案、量子退火方案：由于后者還沒有展示可信的量子加速效應，文中討論基于前者展開。

超導量子比特是由約瑟夫森結和其他超導元器件構成的非線性量子諧振電路[20]，分為以電荷、相位、磁通等自由度編碼量子信息的基本類型以及為數(shù)眾多的復合類型。當前的主流類型之一是Transmon及其變種，對環(huán)境電荷的漲落不敏感，具有較長的退相干時間；其他常見類型有磁通量子比特、Fluxonium、0-π比特等。

超導量子比特可通過多種方式與外部電路耦合，由此實現(xiàn)操控和測量。以Transmon為例，相應操控由外部驅動電路通過電容耦合到比特來實現(xiàn)；關于測量，一般將比特與諧振腔耦合，在大失諧條件下諧振腔的本征頻率依賴于比特的狀態(tài)。對于與諧振腔耦合的共面波導傳輸線，利用色散讀取方法測量諧振腔的頻率，進而確定比特的狀態(tài)。構建多比特量子線路，需要可控的比特間耦合；平面結構的超導量子線路較為常見，比特之間一般通過電容或者電感方式耦合；近年的重要進展之一是提出并實現(xiàn)了可調耦合方案[21]。此外，利用三維諧振腔來編碼量子信息的超導量子線路，在實現(xiàn)靈活可調的比特耦合方面存在較大困難，這就給相關路線的可擴展性構成了挑戰(zhàn)。

2019 年，谷歌公司研究團隊推出的Sycamore超導量子芯片[22]包含了54個Xmon類型的超導量子比特，通過88個可調耦合器耦合構成了平面網(wǎng)格陣列，兩比特門的平均保真度達到99.4%；利用該芯片首次實驗展示了在量子隨機線路采樣問題上的量子優(yōu)越性。2021年，中國科學技術大學研究團隊推出了包含66個比特的“祖沖之號”超導量子處理器，據(jù)此完成了更大規(guī)模、更深線路的量子優(yōu)越性實驗[23]。國際商業(yè)機器公司（IBM）在自建的量子云平臺上推出了含有127個比特的處理器。

除了集成度方面的進展之外，其他關鍵性指標也有顯著提升。采用鉭替代當前主流的鋁作為超導電路材料，將平面Transmon比特的退相干時間提升到300 μs[24]；隨后北京量子科學研究院進一步優(yōu)化到500 μs[25]。麻省理工學院、IBM的研究團隊將兩比特門保真度提升到接近99.9%[26,27]。作為通往可容錯量子計算的最關鍵步驟，量子糾錯實現(xiàn)方面取得了一定進展，如表面糾錯碼的可行性得到初步演示[28,29]。

目前，超導量子計算領域競爭非常激烈。國際著名學術機構有：美國的耶魯大學、麻省理工學院、普林斯頓大學、芝加哥大學、加州大學伯克利分校、國家標準與技術研究院，歐洲的蘇黎世聯(lián)邦理工學院、代爾夫特大學、查爾姆斯理工大學等。包括谷歌公司、IBM、Rigetti 計算有限公司在內的國際知名企業(yè)也很早開展研發(fā)。在我國，超導量子計算方面的代表性機構有：中國科學技術大學、南京大學、浙江大學、清華大學、北京量子科學研究院、中國科學院物理研究所、南方科技大學，華為技術有限公司、阿里巴巴集團、深圳市騰訊計算機系統(tǒng)有限公司、合肥本源量子計算科技有限責任公司等。

超導量子計算路線面臨的挑戰(zhàn)主要有三方面。①主流的平面結構限制了比特之間的連接性，由于只能實現(xiàn)近鄰耦合而導致運行量子算法時的極大額外開銷，需要改進連接性來精簡量子線路的深度。②超導量子芯片的控制線的數(shù)量隨著比特數(shù)線性增加，但其平面屬性導致只能從芯片四周將控制線引入到芯片中央，這在擴展時使得控制線密度不斷增大，而串擾將更難抑制。多層芯片三維集成技術可以一定程度上緩解該問題，但在更高集成度情形下解決布線和串擾問題極具挑戰(zhàn)性。③超導量子比特的退相干時間需要進一步提升，涉及從微觀機理出發(fā)，對材料、設計、工藝、測試環(huán)境進行全方位優(yōu)化。就目前狀況作預判，有望在3～5年后實現(xiàn)一些小規(guī)模的實際應用；穩(wěn)步推進量子糾錯研發(fā)，為在10年或更遠時間后實現(xiàn)容錯量子計算確立基礎。

五、分布式超導量子計算

集成電路芯片可通過縮小器件尺寸來提高集成度、降低功耗，而類似的策略對超導量子芯片不適用。這是因為，縮小超導量子比特會減小模體積，在增加能量密度以及電場與金屬界面缺陷耦合的同時，導致更強的退相干；當前超導量子芯片的大部分面積被控制線占用，無法縮小尺寸來提升集成度。可以簡單估算，二維Transmon 的典型尺寸是0.5 mm 量級，在直徑為100 mm 的晶圓上可集成的數(shù)目約為數(shù)萬個；進一步考慮控制線扇出、串擾等因素，可集成數(shù)目將降低到數(shù)千個。目前單芯片的集成度（約為數(shù)百個）未達到上述極限，但未來要繼續(xù)擴展超導量子處理器，則不可避免地會將量子比特分布在多個芯片上并以模塊化方式擴展處理器的規(guī)模。

分布式超導量子計算需要在芯片之間建立起可靠的連接，常見的互聯(lián)通道是鈮鈦超導同軸線、鋁波導管?？紤]耦合強度、信道長度，可采取的芯片之間的量子態(tài)傳輸方式有經(jīng)由信道多模駐波模式中的一個進行傳輸[30]、通過發(fā)射和接收微波飛行光子實現(xiàn)傳輸[31]：前者方案較簡單，但受限于微波波長因而無法建立遠距離連接，目前在短距離構建模塊化量子處理器方面已有一些探索；后者允許建立遠距離連接，但需要對微波光子進行賦形和抓取，相關技術首先在單芯片上取得進展，隨后完成了基于微波飛行光子的跨芯片量子態(tài)傳輸。2020年，Magnard 等展示了跨制冷機的量子態(tài)傳輸[32]，Zhong等則展示了跨芯片的多比特糾纏態(tài)傳輸[33]。

目前，分布式超導量子計算受到多方關注。2020年，谷歌公司發(fā)表了量子計算機路線圖，計劃采用多芯片互聯(lián)方案來構建包含百萬量子比特的超導量子處理器。Rigetti計算有限公司也開展了利用芯片倒裝技術來集成多個芯片的研究。2021年，有研究團隊公布了跨越30 m的多芯片連接計劃。分布式超導量子計算將朝著更多比特、更長信道的方向發(fā)展。

分布式超導量子計算還面臨著一些技術挑戰(zhàn)。①跨芯片的信道連接損耗較大，主要源自芯片和微波線纜之間的連接以及插入的微波元器件和信道本身，需要提高連接和信道的質量并盡量減少中間元件。②量子態(tài)傳輸?shù)谋Ｕ娑?，在不做后選擇的情況下公開報道的芯片間態(tài)傳輸保真度最高為91.1%[33]，相比單芯片上兩比特門普遍達到的99%仍有差距。這些挑戰(zhàn)阻礙了分布式超導量子計算規(guī)模的繼續(xù)擴展，但也為后來者趕超提供了機會。

六、光量子計算

光量子系統(tǒng)具有抗退相干、單比特操縱簡單精確、提供分布式接口等優(yōu)點，可以利用光子的多個自由度進行編碼，是重要的量子信息處理系統(tǒng)之一。光量子計算可分為專用和通用的量子計算模型；根據(jù)編碼方式的不同也可分為離散變量和連續(xù)變量模型（或二者的結合）。這些不同的路徑都有望實現(xiàn)通用量子計算。

光量子計算的核心硬件包括量子光源、光量子線路、單光子探測器。量子光源用于制備特定初始態(tài)，常見類型有確定性的單光子源、壓縮真空態(tài)光源、糾纏光子對光源等。半導體量子點在激光的激發(fā)下會像原子一樣輻射單個光子，是實現(xiàn)確定性的可擴展單光子源的重要途徑。中國科學技術大學研究團隊2013年首創(chuàng)量子點脈沖共振激發(fā)技術，研制出了確定性偏振、高純度、高效率的單光子源[34]；2018年實現(xiàn)了高全同性、高受激效率的參量下轉換糾纏光子對；2019年實現(xiàn)了高保真度、高效率、高全同性的雙光子糾纏源。2020年，研究者首次實現(xiàn)了片上高純度、高全同性、預報效率大于90%的光源。

早期的光量子計算主要基于自由空間的線性光學[35]，實驗技術成熟，光子在晶體和自由空間中的損耗都很低，但此方案的可擴展性較差。大規(guī)模擴展的可行路徑是將光學元件集成到光芯片上，如將量子光源、線路、探測器全部集成在一個波導芯片[36]。這類光芯片方案穩(wěn)定性和可擴展性良好，但目前的效率還需提升。相關研究整體上處于起步階段。

關于光量子比特的測量，目前超導單光子探測器正在獲得越來越廣泛的應用。美國國家標準與技術研究院、代爾夫特大學、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所等機構可以生產(chǎn)兼具高探測效率（＞90%）、高重復頻率（＞150 MHz）的超導納米線單光子探測器。

光學量子計算的基本操作（如概率性的控制邏輯門）、各種量子算法的簡單演示驗證均已實現(xiàn)。中國科學技術大學研究團隊構建了光量子計算原型機“九章”以及升級版的“九章2.0”，據(jù)此實現(xiàn)了量子優(yōu)越性這一里程碑[37,38]。2022 年，Xanadu量子技術有限公司在時間編碼玻色采樣上實現(xiàn)了量子優(yōu)越性驗證[39]。

光量子計算路線當前最大的挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)確定性的兩比特糾纏門，大規(guī)模的糾纏態(tài)制備和線路操縱、高效率探測器的研制等也是亟待研究的難題。兩比特糾纏門的實現(xiàn)思路有兩種：基于線性光學，在線性光學的基礎上引入非線性。在大規(guī)模、可擴展的糾纏態(tài)制備方面，有望以量子點自旋為媒介，將輻射單光子制備到大規(guī)模糾纏態(tài)上。在近期，光量子計算的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為：實現(xiàn)含噪聲、中等規(guī)模的量子計算應用；實現(xiàn)確定性兩比特糾纏門，解決通用光量子計算的瓶頸問題；制備大規(guī)模糾纏態(tài)；實現(xiàn)基于GKP態(tài)的容錯量子計算。

七、囚禁離子量子計算

囚禁離子系統(tǒng)是最早用于量子計算的物理系統(tǒng)[40]，以囚禁在射頻電場中離子的超精細或塞曼能級作為量子比特載體，通過激光或微波進行相干操控。離子量子比特的頻率只由離子種類、外界磁場決定，因而相比超導、量子點等人造量子比特具有完美的全同性。囚禁在一個勢阱中的多個離子在庫倫斥力作用下會形成穩(wěn)定的晶格結構，整個晶格的簡諧振動可作為阱中不同離子之間產(chǎn)生量子糾纏的媒介。囚禁離子系統(tǒng)具有全連接性，即系統(tǒng)中任意量子比特間都存在直接相互作用[41]；處于不同阱中的離子還能以各自輻射的光子作為媒介來實現(xiàn)遠程糾纏。

囚禁離子系統(tǒng)的早期發(fā)展得益于成熟的原子/分子光學實驗技術，并無明顯的技術瓶頸。當規(guī)模較小時，囚禁離子系統(tǒng)具有小時級的相干時間、極高的量子門保真度[42,43]。然而，囚禁離子系統(tǒng)在規(guī)?；⑾到y(tǒng)穩(wěn)定性方面尚存困難，如隨著同一勢阱中離子數(shù)目的增多，離子晶格會愈發(fā)不穩(wěn)定，離子晶格的振動頻譜也趨于密集而難以利用。目前，解決這一問題的主流方案是“量子電荷耦合器件（QCCD）架構”，即利用電極在芯片上定義多個囚禁區(qū)域，每個區(qū)域包含少量離子；通過調制各電極的電壓，驅動離子在不同區(qū)域之間移動和交換[44]。

QCCD架構的未來發(fā)展方向是，在片上集成控制電路、光波導、光探測器，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化和小型化；由于涉及芯片制備、芯片封裝、光波導制備、表面處理等多項技術集成，發(fā)展難度較大。目前，構建包含數(shù)十至上百個離子的中小規(guī)模系統(tǒng)沒有原理性障礙，但需要解決以下技術性問題：①光波導、電路、探測器等多器件集成型芯片阱的設計與制備；②因離子的反常加熱率較高限制了門操作的保真度，需要發(fā)展低溫阱、芯片表面處理等技術來降低加熱率；③系統(tǒng)的真空、光學、信號控制等部分的耦合度較高，不利于保持整體穩(wěn)定性，需將各子系統(tǒng)進行模塊化和小型化處理。

國外在離子阱方向的研究較為活躍，內容涉及整體系統(tǒng)的標準化與產(chǎn)品化、QCCD架構、芯片阱設計及制備、光波導與芯片阱的集成等。國內研究起步較晚，整體處于跟隨階段，研究機構有清華大學、國防科技大學、中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所、中國科學技術大學、中國人民大學、南方科技大學、華為技術有限公司等。

八、硅基量子計算

硅基量子計算使用量子點中囚禁的單電子或空穴作為量子比特，通過電脈沖實現(xiàn)對比特的驅動和耦合[45]。這一技術路線的優(yōu)勢表現(xiàn)在：大部分工藝與傳統(tǒng)的金屬-氧化物-半導體（MOS）工藝兼容，具有大規(guī)模擴展的潛力，在商業(yè)化階段將易于和半導體行業(yè)對接[46]；比特相干時間長，門操作精度高；可進行全電學操控。硅基量子點的實現(xiàn)方式分為兩種。①通過在門電極上加載電壓來囚禁單個電子或空穴，利用電極對其量子態(tài)進行操控；這種方式可實現(xiàn)比特間耦合的可靈活調節(jié)，但集成的門電極密度高，需要采用公共和懸浮電極等才能大規(guī)模生產(chǎn)[47,48]。②通過掃描隧道顯微鏡（STM）或離子束注入方式在硅襯底中摻雜原子并作為比特載體，然后利用MOS 電極或STM 直寫電極對摻雜原子的電子自旋進行操控；具有比特全同性高、易于擴展、電極密度低、相干時間長等優(yōu)點，但加工難度大[49]。

近年來，硅基量子計算研究進展迅速，多個研究團隊獨立實現(xiàn)了3～6 個比特的集成[50]；將量子門保真度提升到了容錯閾值之上，實現(xiàn)了電子自旋與超導微波腔的強耦合、基于微波光子的長程自旋耦合。最近發(fā)展的低溫集成-互補金屬氧化物半導體（Cryo-CMOS）量子測控技術，在與硅基比特結合后有望解決中大規(guī)模的讀取及控制問題；通過融合硅基量子芯片和經(jīng)典CMOS低溫芯片，多個研究團隊實現(xiàn)了在1.1～4 K 溫區(qū)運行良好的硅基熱比特[51～53]。因此，硅基平臺是目前唯一可在4 K溫度條件下利用大規(guī)模集成半導體工藝實現(xiàn)經(jīng)典-量子混合的體系。

硅基量子計算的發(fā)展挑戰(zhàn)有：單比特門所需元件占據(jù)較大空間，應優(yōu)化比特驅動方案；多量子比特的集成需在方案和技術層面需取得突破；在單原子量子計算方面進一步提升原子放置的精度和成功率以實現(xiàn)單原子陣列；在工藝水平進一步提升后，改善硅基襯底質量和介電層電噪聲以提高芯片成品率。

未來數(shù)年內硅基量子計算將迎來爆發(fā)，在追平超導量子計算的同時，展現(xiàn)可大規(guī)模集成、兼容傳統(tǒng)半導體行業(yè)等優(yōu)勢，因而研究競爭非常激烈。國際領先的研究機構有普林斯頓大學、東京大學、代爾夫特大學、新南威爾士大學等；微軟公司、英特爾公司等知名企業(yè)已開始前期的商業(yè)開發(fā)。在我國，公開報道的研究機構主要是中國科學技術大學、中國科學院微電子研究所、中國科學院物理研究所、北京量子信息科學研究院、南方科技大學等。

九、其他類別的量子計算體系

（一）中性原子量子計算

中性原子量子計算使用激光冷卻和囚禁技術，實現(xiàn)光阱中的中性原子陣列；利用單個原子的內態(tài)能級編碼量子信息，后通過微波或光學躍遷實現(xiàn)單比特操控；基于里德堡阻塞效應或自旋交換碰撞，實現(xiàn)多比特操控并最終實現(xiàn)量子計算。中性原子體系的優(yōu)點為：與環(huán)境耦合弱，相干時間長；相鄰原子間的距離在微米量級，易于實現(xiàn)對單比特的獨立操控，串擾低；量子比特連接靈活可變，可以任意操控和改變原子間距離、原子構型等，可擴展性良好。

在堿金屬元素體系相關的研究中[54]，2010年利用里德堡阻塞效應首次實現(xiàn)了兩比特糾纏和受控非門；2016 年實現(xiàn)了約50 個單原子陣列的制備，將單比特門保真度提高到99.6%（達到容錯量子計算閾值）；2020 年以來實現(xiàn)了可編程、包含至少200 個量子比特的量子處理器及其量子算法與量子模擬演示。在堿土金屬元素體系相關的研究中[55]，目前兩比特糾纏保真度已提升至99.5%。

該領域的關鍵技術包括：量子寄存器的制備和擴展，任意量子比特的操控和尋址，多量子比特的高保真度操控。預計短期內可實現(xiàn)：包含數(shù)千個量子比特的量子寄存器，保真度超過容錯量子計算閾值的多比特操控，基于數(shù)百個量子比特的復雜量子模擬，量子優(yōu)越性演示。

（二）金剛石氮空位色心量子計算

金剛石氮空位（NV）色心量子計算指利用NV色心的電子自旋及金剛石中的碳13核自旋作為固態(tài)量子比特，可在室溫條件下實現(xiàn)量子信息處理的一類技術路線。NV 電子自旋作為量子比特，可由激光脈沖實現(xiàn)初始化和測量、基于微波脈沖的量子態(tài)翻轉，在室溫下具有長達毫秒量級的相干時間。

國外對于因車輛壓實或牲畜踩踏等原因造成的土壤緊實的草坪或草場，通常會采用如圖1或圖2所示的草地打孔、透氣機械(Aerator)對草地進行修復。

經(jīng)過20 多年發(fā)展，NV 色心量子計算的技術體系（從金剛石樣品器件設計及加工到核自旋探測、多比特操控）均較為成熟。然而，在這一體系中實現(xiàn)可擴展的量子計算還有很多技術難題：實現(xiàn)集成化功能器件和陣列依賴高效可控的NV 色心制備，還需有效抑制微納加工過程中引入的噪聲；隨著量子比特的增多，需發(fā)展精準的多比特操控技術以抑制彼此之間的串擾以及各種因素引起的誤差，才能不斷提升量子邏輯門保真度。這些都是實現(xiàn)基于固態(tài)體系多節(jié)點糾纏網(wǎng)絡的重要環(huán)節(jié)[56]。

近10年來，我國研究團隊在此方向的綜合能力進步顯著，在部分細分方向上完成了較高水準、富有特色的工作[57]；但整體來看，相比國際領先團隊還存在一定差距。

（三）核磁共振量子計算

核磁共振波譜學發(fā)展至今約有80年，在生命科學、物理、化學等領域催生了諸多應用，7個諾貝爾獎獲得者的研究與此相關?；诤舜殴舱竦牧孔佑嬎憷昧税胱孕脑雍俗鳛榱孔颖忍?，是最早實現(xiàn)Shor分解算法、Grover搜索算法的實驗體系[58]；目前達到了操控12個量子比特的能力[59]。

在學術研究方面，滑鐵盧大學、斯圖加特大學、清華大學、中國科學技術大學、南方科技大學等高校均有活躍的研究團隊，在量子計算、量子模擬、量子機器學習等多方面取得了極具影響力的成果，如量子人臉識別、量子手寫體識別、量子多體局域化、12比特量子隨機線路模擬等。在產(chǎn)業(yè)化方面，清華大學、南方科技大學聯(lián)合團隊2017年推出了國際首個核磁共振4比特量子計算云平臺；深圳量旋科技有限公司2019年推出了兩比特小型化核磁共振量子計算機。

核磁共振具有系綜特征，盡管在可擴展方面具有困難，但依然是目前為數(shù)不多的能夠操控10個以上量子比特的實驗體系之一，因此被視為發(fā)展量子控制技術、探索量子機器學習前沿領域、深化量子產(chǎn)業(yè)的良好實驗平臺。另一個富有潛力的發(fā)展方向是核電共振，即將原子核注入到硅基材料中并利用電場進行操控，有望解決比特頻率擁擠、比特串擾等問題。

（四）自旋波量子計算

基于自旋波的量子計算是富有潛力的新型量子計算方案之一。自旋波是磁性材料中電子自旋的集體進動模式，其量子化準粒子稱為磁子，每個磁子攜帶1個約化普朗克常數(shù)的自旋角動量。磁子擁有較長的弛豫時間和良好的可操控性，可用于編碼量子信息[60]。

當前，有關自旋波量子計算的研究仍處于起步階段，實現(xiàn)思路主要有兩種：將自旋波和其他量子計算體系相結合，發(fā)展出新型的雜化量子信息處理技術；直接利用磁子實現(xiàn)量子計算。第一種思路是當前研究的主流，尤其是將磁子與超導量子線路結合[61]。通過結構設計來增強微波腔光子-磁子-超導量子比特之間的耦合作用，是極具挑戰(zhàn)性的問題。

（五）拓撲量子計算

發(fā)展量子計算技術面臨的最大挑戰(zhàn)是如何解決退相干帶來的誤差。與其他技術路線相比，拓撲量子計算被認為可在原理層面上解決這一問題[62]。理論上只需少數(shù)幾個（甚至1個）拓撲量子比特即可構建1個邏輯比特；一旦實現(xiàn)拓撲量子比特，即可進入集成邏輯比特的時代，這將是量子計算發(fā)展的飛躍式進步。以微軟公司為代表，眾多研究團隊投身其中，試圖實現(xiàn)拓撲量子比特。

目前，用于探索拓撲量子計算的體系包括強自旋軌道耦合材料和s 波超導體近鄰體系、拓撲絕緣體和s 波超導體近鄰體系、鐵基超導體、本征拓撲超導體。本方向的關鍵技術有量子材料生長、拓撲量子器件制備、拓撲態(tài)的量子輸運測量等，相關研究是實現(xiàn)應用突破的關鍵。

零偏壓電導峰曾經(jīng)被作為判斷是否存在馬約拉納量子態(tài)的依據(jù)，但當前共識是這一依據(jù)并不可靠；如何實現(xiàn)滿足非阿貝爾統(tǒng)計的編織操作也是本方向亟待解決的核心問題。整體來看，拓撲量子計算尚處基礎研究階段。

十、關于我國量子計算技術發(fā)展的思考和建議

量子計算是挑戰(zhàn)人類極限科技能力的系統(tǒng)工程，涉及幾乎所有學科的極限水平技術的總集成，領域發(fā)展必定前途光明而道路曲折。量子計算機作為世紀系統(tǒng)工程，迫切需要不同學科領域、跨越專業(yè)的人才加強合作、聯(lián)合攻關、協(xié)同推進；尤其要避免跟風式、“小而全”的低水平重復建設，消除內部惡性競爭可能導致的重大資源浪費。同時，著眼于量子計算領域的中長期穩(wěn)健發(fā)展，積極培育創(chuàng)新人才，持續(xù)性加強基礎研究，聚焦核心關鍵技術研發(fā)，走出一條符合國情、創(chuàng)造價值的中國量子計算發(fā)展之路。

（一）注重戰(zhàn)略規(guī)劃和布局，保持大局觀

近年來，國家高度重視量子科技并將之列為優(yōu)先發(fā)展的國家戰(zhàn)略，通過一系列舉措來加強規(guī)劃與布局，籌劃成立量子信息科學國家實驗室。這些舉措在宏觀層面為我國量子科技的中長期發(fā)展指明了方向、創(chuàng)造了環(huán)境。著眼于未來來我國量子科技研發(fā)布局的廣度和深度，建議成立國家量子科技專業(yè)委員會，對我國量子科技的總體發(fā)展進行宏觀指導，同時為政府相關部門提供有關量子科技發(fā)展的咨詢服務與政策建議。

從事量子計算研發(fā)及政策制定的人員，都應對該領域的發(fā)展保持清晰的大局觀：量子計算前途光明，但發(fā)展道路必定曲折。這一觀點包含的兩層意思均不可偏廢：①如果對于量子計算的潛在價值沒有清晰的認識，則不可能站在一定的高度去看待相關研發(fā)以及制定政策，容易滑向庸俗瑣碎化；②如果對于發(fā)展道路的曲折沒有足夠的心理準備，則易出現(xiàn)盲目樂觀主義，導致急功近利、遇到困難不再堅持等問題。

當前學術界的主流觀點認為，實現(xiàn)可擴展的通用容錯量子計算不存在原則性困難，因而對此領域的長遠發(fā)展比較樂觀。但是，對于具有真正實用價值的量子計算機發(fā)展路線圖，學術界存在不同意見，普遍表現(xiàn)得相當謹慎?？梢哉f，學術界對于量子計算的中長期發(fā)展是持有上述大局觀的。在產(chǎn)業(yè)界，一些頂尖的國際科技公司在量子計算領域的研究時間超過30年；盡管技術發(fā)展有起伏，但始終保持定力，這是握領域發(fā)展主導權的必要保障。

（二）建立創(chuàng)新人才制度，培養(yǎng)高水平隊伍

人才是高科技事業(yè)發(fā)展的核心元素。為保障我國量子計算領域的長期健康發(fā)展，需要提升人才隊伍的規(guī)模和質量。在近期，宜保持高端人才的引進力度，積極進行引進人才的服務配套工作，支持在新環(huán)境中迅速發(fā)揮作用，拓展良好的發(fā)展空間。長遠來看，解決我國量子計算發(fā)展的人才緊缺問題需要立足自主培養(yǎng)。量子計算研發(fā)是一個系統(tǒng)工程，對人才的需求具有多樣性。早期的量子計算研發(fā)偏重基礎研究；未來轉向大規(guī)模、實用化，需要越來越多的專業(yè)工程師。針對這種多樣化趨勢，建立合理的人才培養(yǎng)和評價機制極為必要。

在人才培養(yǎng)方面，需要關注具有數(shù)學和物理基礎、工程技術背景深厚的復合型人才，從而在傳統(tǒng)基礎研究領域、工程應用開發(fā)領域之間架起“橋梁”。復合型人才培養(yǎng)有多種途徑，如成立專門的量子科學與工程專業(yè)，通過合理的“產(chǎn)學研”體系引導現(xiàn)有人才分流。完善的“產(chǎn)學研”體系有助于形成學術界和產(chǎn)業(yè)界的良性互動，為各類人才的培養(yǎng)、流動、發(fā)展提供充分的機會與可能性。

合理的人才評價機制是保障量子計算領域長期健康發(fā)展的要素。鑒于量子計算對人才需求的多樣化，相應的人才評價機制也需保持靈活性。早期從事量子計算研發(fā)工作的主體是基礎研究相關人才，相應的評價機制以論文、項目及經(jīng)費為主導標準，但很難為工程師類的人才提供穩(wěn)定職位和上升通道。解決類似問題，還依賴完善的“產(chǎn)學研”體系以及合理靈活的人才評價標準。

（三）加強基礎研究，爭取更多原創(chuàng)突破

從歷史角度看，基于量子力學的技術應用開發(fā)尚處于初級階段。展望未來，很難精準預見當前的技術路線會遇到何種瓶頸。技術發(fā)展歷史中經(jīng)常出現(xiàn)類似案例，即原則上可行的方案最終無法工程實用化，反而被其他原創(chuàng)性的突破所替代。因此，繼續(xù)加強基礎研究對于量子計算研發(fā)具有重要意義。

基礎研究的顯著特點是不可預見性，即不太可能事前預見會在什么方向和課題上取得突破，不太可能事前規(guī)劃突破的時間進度表，不太可能預見某個突破在未來有何具體應用。為了營造良好的基礎研究氛圍，一是應避免那些不符合基礎研究規(guī)律的發(fā)展規(guī)劃和政策引導；越是具有原創(chuàng)性和突破性的研究，越容易出現(xiàn)在意料之外的方向。二是應避免單一僵化的人才考核模式。傳統(tǒng)的人才評價機制基于可考核的硬指標，曾經(jīng)并且會繼續(xù)在我國科技事業(yè)中發(fā)揮作用，但應盡量避免此類評價體系應用過程中的簡單化和庸俗化?；A研究的突破需要研究者長時間專注探索，加之可能還是非主流方向，很難保證有穩(wěn)定的產(chǎn)出。過于強調可考核的硬指標，會激勵追逐熱點并導致急功近利行為；在極端情況下，甚至會變成對有志于坐“冷板凳”科研人員的懲罰，使其“無板凳可坐”。

建議努力創(chuàng)造寬松自由的量子計算研究環(huán)境，支持研究者追隨自己的興趣與品味去選擇方向及課題，進行自由的學術與應用探索；對基礎研究宜抱有“水到渠成”、一定程度上可遇不可求的態(tài)度，以立足長遠的姿態(tài)來爭取更多原創(chuàng)突破。

（四）加強核心技術和設備研發(fā)，保證自主可控

相對于我國在科技領域總體上還落后于發(fā)達國家的現(xiàn)狀而言，我國在支撐科技領域發(fā)展的關鍵設備與技術方面的差距更為明顯。也應清楚地認識到，這種現(xiàn)狀是由我國經(jīng)濟社會發(fā)展的歷史以及當前的產(chǎn)業(yè)結構決定的，也是必須經(jīng)歷的發(fā)展階段。深刻理解這一點有助于樹立解決關鍵設備及技術落后問題的信心。

對于解決關鍵設備和技術落后問題，需要關注以下方面。①加強必要的規(guī)劃和引導，避免完全交由市場和資本規(guī)律來主導。作為戰(zhàn)略性新興技術，量子計算發(fā)展離不開國家的戰(zhàn)略支撐；創(chuàng)建良好的政策環(huán)境，制定相關技術推進法案，支持部門協(xié)同和全生命周期的專業(yè)化管理，建立國家層面的跨部門協(xié)同管理機制。②關注研發(fā)定位與可持續(xù)性。建立良好的“產(chǎn)學研“體系，使相關研究成果有機會轉化成產(chǎn)品和應用技術；開展針對量子計算技術的立法與標準化，提高知識產(chǎn)權使用率，最大化發(fā)揮專利價值。③未來的量子計算研發(fā)活動會催生眾多關鍵設備與技術的發(fā)展需求，應努力把握難得機遇。