寻找现实世界中的“MOSS”（二）： 量子计算机的5大基本要求

出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览

在今年热映的科幻电影《流浪地球2》中，最强量子计算机“MOSS”展示了自身无与伦比的超强算力。通过探索最强量子计算机“MOSS”的前世今生，我们可以了解到，“MOSS”的创作灵感来源于现实科学进展，同时也融入了电影创作团队对未来世界的量子计算机的奇妙想象。

流浪地球中的MOSS

（图片来源：《流浪地球》剧照）

量子计算机是当今科学技术领域的前沿发展方向，它能够利用处于1/0纠缠态的量子比特（qubit）来进行并行计算，从而获得指数增长的超强算力，并且具有广泛的应用前景。自上世纪90年代以来，科学家们一直在努力研发量子计算机，并取得了一系列的进展。如今，量子计算机已经在量子化学、量子优化等领域得到了应用，带来了革命性的变化。

（图片来源：Veer图库）

也就是说，如果某一物理系统中，稳定存在两个可以区别的能量状态（能级），并且在外界驱动下，能级之间能够实现概率性的跃迁，那么，这两个能级就可以分别编码成为1态和0态，从而实现1/0纠缠态编码，并且作为量子比特参与到量子计算机的并行运算中。而根据选择的编码1/0的纠缠态的物理载体不同，量子计算机可以具体分为不同的类型。

直到目前，有望实现通用量子计算机的主流候选方案有很多种，但实际上，无论采用何种型号的量子计算机，都必须满足一些特定的基本要求。接下来，我们将依次梳理一下构造量子计算机的5大基本要求：

需要能够编码0/1叠加态的量子比特

我们目前生活中接触到的计算设备都是经典计算机，而经典计算机使用经典比特（bit）来进行二进制运算。一个经典比特只能处于1态或者0态中的一种，这就像一枚硬币只有正面和反面两种状态，而经典计算机的所有运算操作都是基于1态或者0态之间的转换和组合。

而量子比特是量子计算机中的基本运算单元，单个量子比特可以同时处于多种可能的状态中，其中最基本的量子态分别是1态和0态，但单个量子比特还可以同时处于1态和0态的叠加态。

例如，对于一个处于1态和0态等概率叠加的量子比特，在未被外界测量前，这个量子比特就有50%的概率处于1态，同时也有50%的概率处于0态。也就是说，量子比特能够以任意的概率P处于1态，同时以Q概率处于0态，并且始终满足概率P和Q的和为100%。

（图片来源：Veer图库）

量子比特的数目是衡量一台量子计算机运算能力的重要指标之一，量子比特的数目越多，量子计算机的运算能力就越强，可以处理更加复杂的问题。例如，一台具有50个量子比特的量子计算机，就可以在几个小时内将一个长达2048位的超大整数进行因数分解，而经典计算机需要数千年才能解决同样的问题。

这个运算结果在密码学和信息安全领域具有重要意义，因为现今大多数的加密算法都是基于超大整数进行因数分解的时间复杂性，而量子计算机的出现可能会威胁到传统的加密方法。

目前，已经有许多新的加密算法被提出来，其中一种被广泛研究的替代方案是基于量子力学的加密方式，称为量子密钥分发（QKD）。量子密钥分发的加密方案利用了量子态的不可复制性和非局域性，这样一来，通信的双方就可以在不受到窃听的情况下建立一个高度安全的通信信道。

需要一组通用的量子逻辑门操作

在经典计算机中，任意复杂的逻辑门操作都可以分解成为基本的布尔运算，这包括AND（与）、OR（或）和NOT（非）门等。

其中，AND（与）操作是指只有两个输入都为1时，输出才为1，否则输出为0。

OR（或）操作是指只要两个输入中有一个为1，输出就为1，否则输出为0。

而NOT（非）操作是指将一个输入取反，输出为其相反的值。

因此，这些基本的逻辑门操作可以组合使用，从而构建更加复杂的逻辑电路，实现经典计算机的复杂运算需求。

类似于经典计算中的逻辑门操作，量子计算机中的任意复杂运算也可以分解为某几个基本的逻辑门的组合，并且这些基本逻辑门可以用来构建复杂的量子算法和量子电路。因此，这些基本的逻辑门被称为通用的量子逻辑门。

三个基本逻辑门符号的矢量集合

（图片来源：Veer图库）

一般而言，一组通用的量子逻辑门通常包括单量子比特门和多量子比特门，可以对量子比特进行不同类型的变换和相互作用。其中，单量子比特门是作用于单个量子比特的门操作，用来改变单个量子比特的状态。而多量子比特门可以作用于多个量子比特，从而实现量子比特之间的纠缠操作等。

通过对一系列的单量子比特门和多量子比特门的复合操作，量子计算机就可以实现任意特定的量子算法，从而在量子计算中实现高效的计算任务。因此，一组通用的量子逻辑门操作具有非常重要的意义和价值，它也为量子算法的设计和实现提供了基础和支撑。

能够高质量地制备量子态并且初始化

为了执行量子计算中特定的运行算法，量子计算机中的量子比特需要在外界条件的驱动下，实现特定的量子态的制备，从而完成初始化。例如，实验上可以直接将量子比特制备到1态或者0态，或者1态和0态等概率的叠加态。这样一来，制备到某一特定量子态的量子比特就完成了运算中的初始化操作。

然而，量子比特的量子态非常容易受到外界的干扰而出现错误，因此，为了保证量子计算结果的精度和可靠性，需要能够高质量地制备量子态并且初始化。

在实验中，高质量的量子态制备和初始化需要使用一些特殊的操作方法。例如，通过使用激光冷却技术可以制备出几乎静止的带电离子，并准确地调整到量子计算所需的能级状态，从而实现高质量的制备和初始化。

（图片来源：Phys.org）

因此，高质量的量子态制备和初始化对于量子计算的成功非常关键，并且可以减少量子计算中的误差和干扰，从而保证量子计算机整体的运算性能。

需要足够大的相干时间与逻辑门的运算时间比值

我们可以把量子比特想象成一个旋转的球，在没有外界干扰的条件下，小球可以一直保持旋转，从而稳定地处于1/0的纠缠态。但是，量子比特的量子态非常容易受到外界的干扰，那么小球就会逐渐失去旋转状态，而破坏1/0的纠缠态，而量子比特的这种保持纠缠态的时长就是“相干时间”。

（图片来源：Veer图库）

在这段时间内，量子比特的量子态将稳定地保持在1/0的纠缠态上，这是量子计算的关键基础。而相干时间的长短取决于量子比特所处的外界环境和量子比特的物理构造，通常情况下，量子比特的相干时间只有几毫秒或更短的时间。

因此，要在这有限的相干时间内，对量子比特进行足够多次的逻辑门操作，就需要相干时间与逻辑门的运算时间的比值足够大。

在实际应用中，人们会采取各种措施来延长量子比特的相干时间，例如，降低实验环境的温度、采用优化的量子比特结构和设计、使用量子纠错技术等以提高量子计算的精度和可靠性。

最终量子比特的状态能够被高质量地探测

在量子计算机完成运算的最后，我们需要对量子比特的状态进行高质量的探测，这是因为量子计算最终结果的准确性和可靠性依赖于对量子比特的准确读取。同时，高质量的量子比特的探测技术也是量子通信、量子密钥分发（QKD）等应用的基础。

一般而言，量子比特的状态是通过探测器来进行读取的，这是因为探测器可以探测出量子比特的状态，比如它的自旋、位置、能量等等。

此外，高质量的量子比特探测不仅需要具备高精度、高速度的特点，还需要能够适用于不同类型的量子比特。目前已经开发出了一系列适用于不同类型量子比特的探测技术，比如基于超导量子干涉仪、单光子探测器等。

（图片来源：Veer图库）

这些高质量的探测方式不仅可以帮助我们精确地读取量子比特的状态，而且可以检测出更加微小的量子效应。因此，对量子比特的状态进行高质量的探测对于量子计算的成功至关重要。

综上所述，当前实现真正实用化的量子计算机是一项巨大的挑战，需要满足实现量子计算机的5大基本要求，并且还需要克服无数的实验技术难题。

结语

尽管现在发展量子计算技术还存在很多挑战，但是科学家们正不断探索、研究和发展各种量子计算方案。目前已经有多种量子计算方案被提出，如离子阱系统、超导量子系统、光量子体系、中性原子、量子点、金刚石NV色心以及拓扑量子体系等等。

（图片来源：Veer图库）

虽然现在的每种候选方案都有其独特的优势和缺点，但是各位候选方案仍然在这条通往量子计算的赛道上不断追赶。我们有理由相信，随着技术的不断发展和进步，在不久的将来，我们将会看到真正实用化的量子计算机的问世，从而为人类社会的发展带来空前的生产力进步。

编辑：孙晨宇