李卓瑛 鄧子宜 周卓俊 邱道文 朱峰,4 羅樂(lè),4

(1. 中山大學(xué)物理與天文學(xué)院,珠海 519082;2. 廣東啟科量子信息技術(shù)研究院有限公司,廣州 510700;3.中山大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣州 510006;4. 中山大學(xué)深圳研究院量子信息技術(shù)中心,深圳 518087)

0 引言

量子計(jì)算是基于量子力學(xué)原理,利用量子的糾纏與疊加等特性對(duì)信息進(jìn)行處理的新型計(jì)算模式[1]。對(duì)于某些復(fù)雜問(wèn)題,量子計(jì)算所展現(xiàn)的并行計(jì)算能力和運(yùn)算效率遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算。量子計(jì)算的基本信息單元是量子比特。近年來(lái),以囚禁離子和超導(dǎo)量子計(jì)算線(xiàn)路為代表的量子計(jì)算技術(shù)路線(xiàn)取得了突破性進(jìn)展,并初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的工程化。但由于目前的量子糾錯(cuò)技術(shù)還不夠成熟,在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于含噪聲的中型量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum,NISQ)時(shí)代。

為了克服噪聲的影響,盡早實(shí)現(xiàn)大規(guī)模通用量子計(jì)算,分布式量子計(jì)算逐漸引起人們的重視,并被視作解決量子計(jì)算可擴(kuò)展性問(wèn)題的關(guān)鍵方案。分布式量子計(jì)算將多個(gè)中小型規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)作為節(jié)點(diǎn),以此提供所需的量子比特?cái)?shù),從而以網(wǎng)絡(luò)方式構(gòu)建量子計(jì)算的基礎(chǔ)[2]。

本文首先介紹分布式量子計(jì)算,然后重點(diǎn)闡述以離子-光子糾纏作為媒介的分布式離子阱量子計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)及試驗(yàn)進(jìn)展,最后對(duì)分布式離子阱量子計(jì)算的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)展開(kāi)分析。

1 分布式量子計(jì)算

1.1 分布式計(jì)算概念

分布式計(jì)算是指一種通過(guò)匯聚計(jì)算資源,以期完成大規(guī)模復(fù)雜計(jì)算和數(shù)據(jù)處理任務(wù)的計(jì)算模式[3]。隨著數(shù)字化時(shí)代數(shù)據(jù)爆發(fā)性增長(zhǎng),各行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)處理能力與效率的要求不斷提高,此時(shí)單個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算性能可能已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求,只能利用分布式計(jì)算。分布式計(jì)算需要將大規(guī)模計(jì)算任務(wù)拆分為若干子任務(wù),并將其分配給各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn),最后通過(guò)匯聚計(jì)算結(jié)果完成運(yùn)算。由于分布式計(jì)算可以整合大量計(jì)算與存儲(chǔ)資源,其信息處理效率遠(yuǎn)超單一節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)。谷歌的MapReduce就屬于簡(jiǎn)單的分布式計(jì)算模型[4]。

目前,量子計(jì)算機(jī)主要面臨可操縱的量子比特?cái)?shù)量無(wú)法滿(mǎn)足計(jì)算需求以及單個(gè)量子芯片存在有限集成度的問(wèn)題。分布式量子計(jì)算借鑒了分布式計(jì)算中計(jì)算資源整合和任務(wù)拆解的思路,通過(guò)在模塊化、小型化的量子計(jì)算芯片之間建立糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)[5],其一般由多個(gè)量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)、量子通信通道、分布式協(xié)議等組成,擁有比經(jīng)典計(jì)算更安全和高效的信息處理能力。

1.2 分布式量子計(jì)算

現(xiàn)階段,因?yàn)殡x子阱、超導(dǎo)、量子點(diǎn)等載體的單個(gè)量子計(jì)算芯片上的量子比特?cái)?shù)擴(kuò)展存在技術(shù)限制,業(yè)界開(kāi)始探索分布式量子計(jì)算范式。人們可通過(guò)量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)器件和量子協(xié)議將模塊化和小型化的量子芯片連接起來(lái),形成網(wǎng)絡(luò),由此擴(kuò)大可實(shí)現(xiàn)的量子比特?cái)?shù)[5]。當(dāng)前,對(duì)于分布式量子計(jì)算機(jī)的研究主要集中在兩個(gè)方面：提高保真度和可擴(kuò)展性。下面將以分布式超導(dǎo)量子計(jì)算和分布式囚禁離子阱量子計(jì)算為例對(duì)分布式量子計(jì)算路線(xiàn)作簡(jiǎn)要介紹。

超導(dǎo)量子計(jì)算是一種基于超導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的技術(shù)方案,其核心是約瑟夫森結(jié)與電容形成的非線(xiàn)性諧振電路[6]。由于超導(dǎo)量子比特需要專(zhuān)用的射頻控制線(xiàn)路,其芯片大面積被控制線(xiàn)占用,隨著量子比特?cái)?shù)的增加,單個(gè)超導(dǎo)量子芯片可集成的量子比特?cái)?shù)量將受到制約。為解決這個(gè)問(wèn)題,超導(dǎo)量子計(jì)算目前采用分布式技術(shù)擴(kuò)展量子處理器規(guī)模。

實(shí)現(xiàn)分布式超導(dǎo)量子計(jì)算需要解決多芯片之間信道連接的損耗問(wèn)題和量子態(tài)保真度問(wèn)題。分布式超導(dǎo)量子計(jì)算芯片之間常見(jiàn)的互聯(lián)通道有超導(dǎo)同軸線(xiàn)和波導(dǎo)管。目前,已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在超導(dǎo)量子芯片上集成阻抗轉(zhuǎn)換器來(lái)減少信道損耗,并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)8.1×105的品質(zhì)因子[7];同時(shí),有研究表明可通過(guò)消除原子暗態(tài)的方式增大微波光子吸收截面,設(shè)計(jì)效率超過(guò)82%的微波-光波相干轉(zhuǎn)換器,以減少傳輸損耗[8]。

囚禁離子阱量子計(jì)算是利用電磁場(chǎng)將離子束縛在空間來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的技術(shù)方案[9]。對(duì)于單個(gè)囚禁離子阱計(jì)算機(jī)而言,當(dāng)同一個(gè)禁區(qū)內(nèi)的離子數(shù)量增加時(shí),系統(tǒng)振動(dòng)模式復(fù)雜性會(huì)急速增加,從而外界環(huán)境的影響會(huì)迅速降低量子門(mén)的保真度,進(jìn)一步限制更多量子比特的實(shí)現(xiàn)。為了解決此問(wèn)題,量子電荷耦合器件(Quantum Charge-Coupled Device,QCCD)架構(gòu)通過(guò)在芯片上定義多個(gè)囚禁區(qū)域,為模塊化的囚禁離子系統(tǒng)提供新思路[10]。此外,由于囚禁離子阱系統(tǒng)中的量子比特具有相干時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),并且由于離子能級(jí)的存在,使得人們可以在適合運(yùn)算和存儲(chǔ)信息的離子和適合傳輸信息的光子之間建立量子糾纏,這一特點(diǎn)促使囚禁離子阱量子計(jì)算成為分布式量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的首選路線(xiàn)。

分布式離子阱量子計(jì)算的基本架構(gòu)首先通過(guò)制備離子-光子的糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的連接,在擴(kuò)展的量子比特?cái)?shù)達(dá)到需求規(guī)模后,運(yùn)用特別設(shè)計(jì)的分布式算法,在具有多個(gè)離子阱節(jié)點(diǎn)的量子計(jì)算系統(tǒng)中完成計(jì)算。該架構(gòu)的特點(diǎn)在于,每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)集成一定數(shù)量的囚禁離子量子比特,并利用離子-光子相互作用產(chǎn)生確定性的糾纏態(tài)。然后,通過(guò)光子作為節(jié)點(diǎn)之間的媒介,采用預(yù)定的方法將不同離子阱中的量子比特連接起來(lái)。通過(guò)這種方法,分布式離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)可以快速增加整個(gè)系統(tǒng)中可用的量子比特?cái)?shù)。

分布式離子阱量子計(jì)算機(jī)目前已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的糾纏生成,并且保真度在70%～90%。在遠(yuǎn)距離方面,奧地利因斯布魯克大學(xué)實(shí)現(xiàn)了兩套相距100 km的離子阱之間的離子-光子互聯(lián)[11]。在試驗(yàn)中,光子的收集與探測(cè)效率具有較大的提升空間。在囚禁離子阱系統(tǒng)中,離子發(fā)射熒光的收集效率可以通過(guò)在離子阱中集成更高數(shù)值孔徑的微透鏡,或者將離子阱與光腔耦合進(jìn)一步提高。在高數(shù)值孔徑微透鏡的研究方面,2009—2014年美國(guó)馬里蘭大學(xué)對(duì)顯微物鏡進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與改進(jìn),顯微物鏡的數(shù)值孔徑已從0.23提升至0.6,光子收集效率也達(dá)到了10%[12];2021年,中山大學(xué)羅樂(lè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)拋物面阱,有望達(dá)到超過(guò)50%的光子收集效率[13]。在離子阱與光腔耦合研究方面,羅樂(lè)和斯特克等則成功利用光腔將光收集效率提高至24%[14-15]。

1.3 分布式量子計(jì)算算法

分布式量子計(jì)算機(jī)不同于傳統(tǒng)的單個(gè)量子計(jì)算機(jī),因此需要重新設(shè)計(jì)契合的分布式量子算法,這樣的分布式量子算法需要在多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,具有降低單個(gè)量子計(jì)算機(jī)規(guī)模、電路深度和計(jì)算中的噪聲等優(yōu)勢(shì)。中山大學(xué)邱道文團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了若干分布式量子算法[16-21],如分布式Deutsch-Jozsa(DJ)算法、分布式Bernstein-Vazirani算法、分布式Shor算法、分布式Grover算法和分布式Simon算法等,下面對(duì)這些算法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

DJ算法主要用于判斷布爾函數(shù)的類(lèi)型,是展示量子算法加速的重要算法。而分布式DJ算法[16]提出了三種用分布式精確算法解決DJ問(wèn)題。與DJ算法相比,分布式DJ算法可以擴(kuò)展到多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn),完成對(duì)分布式經(jīng)典確定性算法的超越。

在DJ算法的基礎(chǔ)上,Bernstein-Vazirani算法被提出用于求解編碼函數(shù)。分布式Bernstein-Vazirani算法[17]給出一個(gè)具有t個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分布式 Bernstein-Vazirani 算法和一個(gè)分布式精確Grover算法,解決了在無(wú)序數(shù)據(jù)庫(kù)中只有一個(gè)目標(biāo)項(xiàng)的搜索問(wèn)題。該研究中的兩種分布式算法都已經(jīng)在量子軟件上得到驗(yàn)證,進(jìn)一步證明分布式量子算法的抗噪性。

Shor算法主要用于解決大數(shù)因子分解問(wèn)題。根據(jù)Shor的算法思想,基于RSA算法加密技術(shù)的安全體系會(huì)隨著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而被瓦解。分布式Shor算法使用兩臺(tái)量子計(jì)算機(jī)分別估算Shor/RSA的部分比特,并在結(jié)果測(cè)量中使用量子隱形傳態(tài)。分布式Shor算法比傳統(tǒng)Shor算法減少近L(量子比特長(zhǎng)度)/2 個(gè)量子比特,降低了每臺(tái)計(jì)算機(jī)的電路深度[18]。

分布式Grover算法[19]提出用更少的搜索和輸入比特計(jì)算布爾函數(shù)值,并提出構(gòu)建量子線(xiàn)路的量子算法,可以用于任意的合取范式(Conjunctive Normal Form,CNF)布爾函數(shù)。

2013年,美國(guó)國(guó)家安全局發(fā)布一種輕量級(jí)分組密碼算法,即Simon算法。根據(jù)Simon問(wèn)題結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了分布式量子算法求解Simon問(wèn)題[20]。分布式Simon算法將分布式量子算法擴(kuò)展到多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn),解決了前期研究中分布式量子算法不能擴(kuò)展到兩個(gè)以上計(jì)算節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。

2017年,中山大學(xué)邱道文團(tuán)隊(duì)[21]提出的分布式相位估計(jì)算法,在量子比特?cái)?shù)、量子電路深度、量子門(mén)復(fù)雜度上比傳統(tǒng)的相位估計(jì)算法有指數(shù)級(jí)別優(yōu)勢(shì)。2023年,中山大學(xué)邱道文團(tuán)隊(duì)[18]又提出分布式量子求階算法,這種算法在量子比特?cái)?shù)、量子電路深度方面比傳統(tǒng)的求階算法更具優(yōu)勢(shì)。2023年,美國(guó)麻省理工學(xué)院HAO TANG等[22]提出基于分布式量子計(jì)數(shù)的量子算法,并將其應(yīng)用到經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)中,該算法相比經(jīng)典分布式機(jī)器學(xué)習(xí)算法在通信復(fù)雜性上有平方根加速。

2 基于離子-光子糾纏的分布式量子計(jì)算

基于離子-光子糾纏態(tài)建立的可拓展的分布式離子阱量子計(jì)算機(jī),既擁有囚禁離子穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理能力又具有光子優(yōu)秀的傳播能力,是最有可能率先實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信和分布式量子計(jì)算的解決方案之一。

在離子-光子糾纏中,離子可作為用于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的量子比特,而光子則作為傳輸量子信息的載體,糾纏態(tài)可用于量子通信,實(shí)現(xiàn)量子密碼和量子密鑰分發(fā)等應(yīng)用,也可用于分布式量子計(jì)算。本文結(jié)合兩種物質(zhì)載體的優(yōu)勢(shì),建立高速、高保真度的量子糾纏網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)囚禁離子阱分布式量子計(jì)算,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算的科學(xué)任務(wù)。

離子-光子糾纏是分布式量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一,離子阱中囚禁離子作為量子寄存器的量子比特,其被激光激發(fā)自發(fā)輻射出來(lái)的光子作為分布式量子計(jì)算機(jī)中的飛行比特,攜帶信息在光纖中傳輸。為了結(jié)合離子阱量子系統(tǒng)長(zhǎng)相干時(shí)間和光子適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì),需要將離子與其自發(fā)輻射的光子進(jìn)行糾纏。由于光子的多種屬性都可以用來(lái)編碼量子信息并適用于多種糾纏協(xié)議,因此離子-光子糾纏方式不是唯一,其主要有比特?cái)?shù)(Number)糾纏、偏振(Polarization)糾纏、頻率(Frequency)糾纏和時(shí)間倉(cāng)(Time Bin)糾纏,這些糾纏協(xié)議依次基于光子數(shù)量、偏振、頻率或者時(shí)間等自由度[23]。

在成功建立離子-光子糾纏后,需要根據(jù)協(xié)議進(jìn)一步將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的離子糾纏起來(lái),實(shí)現(xiàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的糾纏,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與操作。離子-離子糾纏通過(guò)測(cè)量提取光子態(tài)相關(guān)信息,使得量子狀態(tài)坍縮至離子之間的糾纏態(tài),具體過(guò)程為：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的離子-離子糾纏過(guò)程由兩個(gè)離子和兩個(gè)光子參與,兩組離子-光子糾纏態(tài)中的光子在經(jīng)過(guò)分束器時(shí)發(fā)生雙光子干涉,從而產(chǎn)生預(yù)報(bào)式的離子-離子糾纏[24]。

糾纏產(chǎn)生的速率也很關(guān)鍵,遠(yuǎn)程糾纏的建立所消耗的時(shí)間是分布式量子計(jì)算的重要指標(biāo)。首先,節(jié)點(diǎn)間糾纏建立的時(shí)間應(yīng)該快于所有節(jié)點(diǎn)的退相干時(shí)間;其次,從容錯(cuò)水平的角度考慮,可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)資源需求受限于糾纏建立所需的時(shí)長(zhǎng)與相干時(shí)長(zhǎng)的比值,所需時(shí)長(zhǎng)越快越好。

光子的收集效率在整個(gè)試驗(yàn)中扮演著極其重要的角色,一般來(lái)說(shuō)需要在試驗(yàn)中盡可能地提升其收集效率,其主要影響因素包括收集物鏡的數(shù)值孔徑以及光和光纖耦合的模式匹配。對(duì)于自由空間中光子的收集有兩個(gè)影響因素,一是收集鏡頭的立體角受到空間上的限制,通常在10-2量級(jí),過(guò)小的收集角會(huì)較大地影響糾纏試驗(yàn)的成功率;二是光偶極子模式與光纖模式的重疊大大減少了光學(xué)系統(tǒng)能傳輸?shù)墓庾訑?shù)。目前,已經(jīng)發(fā)展了一些將光學(xué)系統(tǒng)整合至囚禁離子阱系統(tǒng)中來(lái)提升光子收集效率的方案,其中光纖尖端(Fiber Tip)、反射鏡或菲涅爾透鏡的加入都可提供比常用物鏡更大的數(shù)值孔徑。此外,集成多尺度光學(xué)(比如微構(gòu)造鏡等)與囚禁離子的結(jié)合或許也能對(duì)收集效率的提升有一定幫助。另外,將囚禁離子與光學(xué)腔耦合,借助這種方法可提供非常高的光子收集效率。通過(guò)提高離子和光學(xué)腔的耦合強(qiáng)度,光子的收集效率有可能接近1[25]。此外,利用紅外頻率的光促使能級(jí)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)囚禁離子和光學(xué)腔的耦合,同時(shí)也可借助腔量子電動(dòng)力學(xué)(Cavity Quantum Electrodynamics,Cavity QED)試驗(yàn)中的方法高效地制備囚禁離子單光子源[26]。

離子所激發(fā)出來(lái)的光子頻率一般大于可見(jiàn)光,而適合通信頻段的光信號(hào)為紅外波段光,它們?cè)诠饫w中的損耗更小,適合遠(yuǎn)距離的光纖傳輸,此時(shí)需要用到量子接口技術(shù)將自發(fā)輻射的光子通過(guò)非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換的方法轉(zhuǎn)變頻率至紅外波段[27],這種頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟,難點(diǎn)主要在實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的同時(shí)依然保持量子的相干性。

從可擴(kuò)展性方面考慮,不論是離子阱最初的四桿阱、環(huán)形阱等,還是之后改良的刀片阱、針阱等,這些離子阱的結(jié)構(gòu)相對(duì)較大,從而限制了以離子阱為節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模構(gòu)建。為了克服此問(wèn)題,借助相對(duì)成熟的硅基微納加工工藝開(kāi)發(fā)并制造出幾乎可熱插拔的芯片離子阱(或表面阱)[28],這種技術(shù)能夠穩(wěn)定囚禁和傳輸離子鏈,并可執(zhí)行單量子比特門(mén)操作。

如果要實(shí)現(xiàn)基于分布式量子計(jì)算機(jī)的量子網(wǎng)絡(luò),還需要一些類(lèi)似于經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的量子網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,在兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的離子比特之間產(chǎn)生糾纏和量子邏輯門(mén)操作的量子協(xié)議,將協(xié)議用于構(gòu)建可擴(kuò)展的原子-光子型量子網(wǎng)絡(luò),以保障節(jié)點(diǎn)高效地聯(lián)系在一起。

2004年,布利諾夫等[29]首次成功實(shí)現(xiàn)了離子-光子糾纏試驗(yàn),這為可擴(kuò)展的量子計(jì)算和通信提供了可能。首先,囚禁并激光冷卻單個(gè)111 Cd+離子,并將其初始化至一個(gè)存在多個(gè)衰減通道的能級(jí)上,沿著特定的發(fā)射角度,即可得到111 Cd+離子和光子的偏振糾纏,并通過(guò)分析光子的偏振和離子所處的能級(jí)狀態(tài)驗(yàn)證糾纏的產(chǎn)生。2004年,Moehring等[30]利用離子-光子的偏振糾纏進(jìn)行貝爾不等式的試驗(yàn)驗(yàn)證。2007年,Wilk等[31]借助光學(xué)腔實(shí)現(xiàn)可將單個(gè)離子和光子糾纏的量子接口。2012年,Stute等[32]利用雙色腔介導(dǎo)的拉曼躍遷選擇兩種耦合路徑并調(diào)整它們的相對(duì)相位和振幅,成功實(shí)現(xiàn)高保真度的可調(diào)諧的離子-光子糾纏態(tài)。2018年,Bock等[33]利用量子光學(xué)的頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了囚禁離子和通信波段光子保真度達(dá)98%以上的糾纏。2018年,Crocker等實(shí)現(xiàn)來(lái)自高純度單光子源的離子-光子糾纏。2019 年,奧地利因斯布魯克大學(xué)[11]完成長(zhǎng)距離離子-光子糾纏試驗(yàn)(相距50 km左右),保真度超過(guò)了90%;而離子-離子糾纏,在節(jié)點(diǎn)間相距幾米時(shí),生成速率可達(dá)182 個(gè)/秒,保真度一般能達(dá)94%[11]。這些結(jié)果對(duì)分布式離子阱量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展具有重要意義,為實(shí)現(xiàn)高保真度和可擴(kuò)展性的遠(yuǎn)程糾纏提供了一定的參考。

目前,中山大學(xué)與廣東啟科量子信息技術(shù)研究院有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“啟科量子”)聯(lián)合研發(fā)離子-光子互聯(lián)技術(shù),用于實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)模塊化節(jié)點(diǎn)的分布式量子計(jì)算機(jī),為運(yùn)行驗(yàn)證分布式量子算法、構(gòu)建分布式量子網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ),而基于離子-離子糾纏的分布式量子計(jì)算則有望應(yīng)用于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)信息安全、航天新興材料設(shè)計(jì)、應(yīng)對(duì)通信安全風(fēng)險(xiǎn)的算法開(kāi)發(fā)等方面。例如,可利用分布式量子計(jì)算運(yùn)行分布式Shor算法,實(shí)現(xiàn)經(jīng)典密鑰體系的快速破解。隨著新型量子加密算法的提出,則需要用分布式量子計(jì)算機(jī)來(lái)檢驗(yàn)加密算法的安全性。2020年8月,啟科量子正式啟動(dòng)“天算1號(hào)” 離子阱量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目,預(yù)計(jì)2023—2024年實(shí)現(xiàn)分布式百比特量子計(jì)算機(jī)(量子體積達(dá)到億級(jí)),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)分布式千比特量子計(jì)算機(jī)[24]。

3 分布式量子計(jì)算的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

分布式離子阱量子計(jì)算利用多個(gè)離子阱量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)協(xié)同解決問(wèn)題,它可以將計(jì)算任務(wù)分配給多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn),從而減少單個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)所需的計(jì)算資源,包括量子比特?cái)?shù)、量子門(mén)個(gè)數(shù)與量子電路深度等。由于量子設(shè)備的制造難度隨著量子比特?cái)?shù)增大而提高、計(jì)算時(shí)間隨著量子門(mén)的復(fù)雜度提高而增長(zhǎng)、電路噪聲的影響隨著量子電路深度的增加而增大(在量子電路中噪聲隨電路的深度呈指數(shù)增長(zhǎng))[34],而分布式離子阱量子計(jì)算可以顯著降低量子設(shè)備的制造難度、計(jì)算時(shí)間和量子電路噪聲,所以是一種高效的計(jì)算方式,可推進(jìn)量子計(jì)算的應(yīng)用。

除了量子比特?cái)?shù)、量子門(mén)個(gè)數(shù)、量子電路深度等指標(biāo),通信復(fù)雜性也是評(píng)估算法應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的重要指標(biāo)。PENG等[35]提出利用小規(guī)模量子計(jì)算機(jī)成功模擬大規(guī)模量子計(jì)算系統(tǒng)的集群模擬方案,為量子模擬提供了更多可能。此外,分布式量子計(jì)算能夠根據(jù)需求調(diào)整計(jì)算規(guī)模和計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量,從而擴(kuò)展系統(tǒng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力,為分布式算法的應(yīng)用提供了更多的靈活性。

分布式量子計(jì)算還具有強(qiáng)大的安全優(yōu)勢(shì),即利用量子力學(xué)基本原理來(lái)確保信息傳輸?shù)陌踩浴７植际搅孔佑?jì)算可結(jié)合量子密鑰分發(fā)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算無(wú)法比擬的安全性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。因此,對(duì)于某些需要高度保密的任務(wù),這種結(jié)合量子保密技術(shù)的分布式計(jì)算方式可以有效防止黑客攻擊和竊聽(tīng)。

得益于分布式離子阱量子計(jì)算在量子比特?cái)?shù)、量子門(mén)個(gè)數(shù)、量子電路深度、通信復(fù)雜性、信息安全性等方面的突出表現(xiàn),其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在量子通信領(lǐng)域,分布式離子阱量子計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)更安全、更高效的量子密鑰分發(fā)。在量子仿真領(lǐng)域,分布式離子阱量子計(jì)算可以模擬更大規(guī)模的量子系統(tǒng)。在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域,分布式離子阱量子計(jì)算可以加速機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練和執(zhí)行。在化學(xué)計(jì)算領(lǐng)域,分布式離子阱量子計(jì)算可以加速分子模擬和優(yōu)化,大幅縮短新藥研發(fā)周期,降低研發(fā)成本[36]。在金融分析領(lǐng)域,分布式離子阱量子計(jì)算可以用于風(fēng)險(xiǎn)管理和投資策略?xún)?yōu)化?？偟膩?lái)說(shuō),相比于傳統(tǒng)的量子計(jì)算方法,分布式離子阱量子計(jì)算具有明顯優(yōu)勢(shì)。

分布式離子阱量子計(jì)算具有更高的精度和速度。其處理能力在許多應(yīng)用領(lǐng)域都有顯著提升,如化學(xué)模擬、圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別等。相比于傳統(tǒng)量子計(jì)算機(jī),分布式離子阱量子計(jì)算機(jī)能夠更快地完成大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù),從而提高決策的準(zhǔn)確性和效率。分布式離子阱量子計(jì)算具有更好的隱私保護(hù)能力。在數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)日益重要的今天,分布式離子阱量子計(jì)算通過(guò)將數(shù)據(jù)分散到多個(gè)離子阱中處理,降低了數(shù)據(jù)泄露和被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確指出,要瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)等前沿領(lǐng)域,實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目,并提出了研制通用量子計(jì)算原型機(jī)的目標(biāo)。分布式離子阱量子計(jì)算作為一種新興的計(jì)算范式,已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。未來(lái),隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的推廣,有望進(jìn)一步拓展到更廣泛的領(lǐng)域,為人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和創(chuàng)新帶來(lái)更多可能性。