竇猛漢：量子計算的未來研究方向與挑戰(zhàn)

內(nèi)容來源：致未來 CTALK 微信公眾號

問

您能否和大家分享一下，如果量子計算進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用，還存在哪些挑戰(zhàn)？

答

我舉一個例子，Shor算法在破解RSA-1048密碼時，需要一個月時間才能破解，這要求量子計算機要有一個月的穩(wěn)定運行時間。當(dāng)前量子計算機的退相干時間只是微秒級別的，從這方面來說，量子計算機還有非常大的發(fā)展空間。

其次，如果想要運行Shor算法等大數(shù)分解算法，量子計算機量子邏輯門操作保真度必須要非常高才行。當(dāng)前最高的量子計算機邏輯門保真度也只是到99%或者99.9%的程度。類比于經(jīng)典計算，每個邏輯門的操作實際是要非常精確的，如果量子邏輯門保真度不高會影響最后的輸出結(jié)果。所以，在量子邏輯門保真度方面也需要進(jìn)行更多提升。在今年2月份，Google已經(jīng)在《Nature》上發(fā)表了一篇量子糾錯的論文，它可以證明可以通過不斷增加量子比特降低量子比特錯誤率，從而提高量子邏輯門保真度。

在可預(yù)見的未來，容錯的量子計算是可以被實現(xiàn)的。但達(dá)到基本條件后，還需要考慮的一個問題，即經(jīng)典數(shù)據(jù)到量子數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換問題。做經(jīng)典計算的人都知道，從CPU到GPU的數(shù)據(jù)是傳輸轉(zhuǎn)換的過程，同理，量子計算也需要從經(jīng)典到量子的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，這就需要量子隨機存儲器這樣一個硬件用來保存經(jīng)典數(shù)據(jù)并通過量子操作去查詢經(jīng)典數(shù)據(jù)，達(dá)到經(jīng)典數(shù)據(jù)到量子數(shù)據(jù)降低復(fù)雜度的效果，這也是一個關(guān)鍵點。

問

量子計算的硬件發(fā)展，還有哪些需要克服的困難？

答

現(xiàn)在量子計算機分為很多技術(shù)方案，比如超導(dǎo)、半導(dǎo)體量子點、光量子，離子阱等，這些方案都有自己的技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)缺點，比如超導(dǎo)的優(yōu)勢在于它可以實現(xiàn)二能級的量子比特操作，也可以實現(xiàn)多能級的量子比特操作。但它的缺點在于，需要的溫度特別低，接近絕對零度，這對技術(shù)環(huán)境要求非常高。以離子阱為例，它的優(yōu)勢在于它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以把所有量子比特全部連接在一起，形成全連接的網(wǎng)絡(luò)，這樣它的量子邏輯門的操作和算法實現(xiàn)的會更容易。它的缺點在于：一是擴(kuò)展性不是很好；二是量子邏輯門的操作時間也是比較慢的，舉例來說，超導(dǎo)量子單邏輯門的時間是納秒級別的，離子阱有可能是微秒級別的一個操作時間。從這個方面來看，離子阱也是有它的優(yōu)勢和劣勢。