窦猛汉：量子计算的未来研究方向与挑战

内容来源：致未来 CTALK 微信公众号

问

您能否和大家分享一下，如果量子计算进行大规模的应用，还存在哪些挑战？

答

我举一个例子，Shor算法在破解RSA-1048密码时，需要一个月时间才能破解，这要求量子计算机要有一个月的稳定运行时间。当前量子计算机的退相干时间只是微秒级别的，从这方面来说，量子计算机还有非常大的发展空间。

其次，如果想要运行Shor算法等大数分解算法，量子计算机量子逻辑门操作保真度必须要非常高才行。当前最高的量子计算机逻辑门保真度也只是到99%或者99.9%的程度。类比于经典计算，每个逻辑门的操作实际是要非常精确的，如果量子逻辑门保真度不高会影响最后的输出结果。所以，在量子逻辑门保真度方面也需要进行更多提升。在今年2月份，Google已经在《Nature》上发表了一篇量子纠错的论文，它可以证明可以通过不断增加量子比特降低量子比特错误率，从而提高量子逻辑门保真度。

在可预见的未来，容错的量子计算是可以被实现的。但达到基本条件后，还需要考虑的一个问题，即经典数据到量子数据的转换问题。做经典计算的人都知道，从CPU到GPU的数据是传输转换的过程，同理，量子计算也需要从经典到量子的数据转换过程，这就需要量子随机存储器这样一个硬件用来保存经典数据并通过量子操作去查询经典数据，达到经典数据到量子数据降低复杂度的效果，这也是一个关键点。

问

量子计算的硬件发展，还有哪些需要克服的困难？

答

现在量子计算机分为很多技术方案，比如超导、半导体量子点、光量子，离子阱等，这些方案都有自己的技术优势和技术缺点，比如超导的优势在于它可以实现二能级的量子比特操作，也可以实现多能级的量子比特操作。但它的缺点在于，需要的温度特别低，接近绝对零度，这对技术环境要求非常高。以离子阱为例，它的优势在于它的拓扑结构可以把所有量子比特全部连接在一起，形成全连接的网络，这样它的量子逻辑门的操作和算法实现的会更容易。它的缺点在于：一是扩展性不是很好；二是量子逻辑门的操作时间也是比较慢的，举例来说，超导量子单逻辑门的时间是纳秒级别的，离子阱有可能是微秒级别的一个操作时间。从这个方面来看，离子阱也是有它的优势和劣势。