量子计算起源、原理、发展简史与技术路线介绍

1970 年，Charlie Bennett 首次提出 “量子信息理论”。

20 世纪 80 年代早期，Paul Benioff、Richard Feynman、Yuri Manin 等量子计算先驱利 用数学和理论量子力学进行论证。他们提出计算机是一个物理系统，如果 想要高效地计算 “不可计算” 的问题，就需要重新思考计算方式。量子 力学提供了一个丰富的计算模型，因此需要建造量子计算机。 量子比特的出现。1998 年第一台双量子比特量子计算机建成，理论 开始变为现实。量子比特是量子计算机的基本构建块，由微小的超导电路 制成，其表现类似于原子。量子比特可以处于多种状态的线性组合，可以 相互干涉和纠缠，即当一个量子比特改变状态时，与之纠缠的量子比特也 会改变状态。 目前，量子计算机与经典计算机结合使用在有意义的任务中很快将超 过仅使用经典计算机的性能。IBM 预计在最近十年内就能看到这一成就。 经典计算机的比特只能将信息存储为 0 或 1，物理世界保持固定结构， 这与经典力学相符。但随着科学家能够对亚原子物质进行探索，开始发现 更多的概率状态：即物质在不同条件下呈现出许多可能的特性。于是，量 子物理学领域应运而生，旨在探索并理解这些现象。 量子计算的强大力量建立在量子力学的两大基石之上：干涉和纠缠。 干涉原理使量子计算机能够消除不需要的解，并增强正确的解。纠缠意味 着量子比特的组合状态所包含的信息比量子比特各自独立时包含的信息更 多。总体而言，这两个原理在经典理论中没有类似情况，要在经典计算机 上对它们进行建模需要耗费指数级的资源。IBM 对这一特征举了一个例 子，要表示一台 100 个量子比特的量子计算机的复杂程度，所需要的经 典比特数量比地球上的原子数量还要多。（以上为根据 IBM 的 The Quantum Decade 报告总结）

量子计算利用了量子力学的一个基本原理 —— 处于确定状态的物理 系统仍然可以随机表现。该系统处于叠加态，也就是两种或多种状态的线性 组合。量子力学的独特之处在于，在某些情况下，当测量一个量子叠加态时， 即便系统的状态是确定的，也会得到随机的结果。经典计算中的比特是 0 或 1，但在量子计算中，量子比特（qubit）可以同时处于无数种状态，也就是 0 和 1 的叠加态。例如一枚硬币，如果抛一枚硬币，它要么正面朝上，要 么反面朝上。但如果旋转一枚硬币，它的维度可能性会呈指数级增加。 纠缠是量子系统的一种特性，在这种特性下，相距甚远的两个量子比特 各自的表现是随机的，但却存在着令人费解的关联性。对两个处于纠缠态的 量子比特分别进行测量，会得到随机的结果。但当从整体上审视这个系统时，其中一个量子比特的状态取决于另一个。组合而成的系统所包含的信息 比各个单独部分包含的信息更多。爱因斯坦将其称为 “幽灵般的超距作 用”。 另外，噪声会导致量子比特失去其量子力学特性，因此它们必须与任何 噪声源隔离开来。构建量子比特有不同的方法，其中一种主要的方法是利用 超导性来制造具有可随意控制的量子力学特性的器件。但为了让量子比特 正常工作，它们必须被保存在温度为 10 到 20 毫开尔文的 温度环境中。 （以上为根据 IBM 的 The Quantum Decade 报告总结）

20 世纪 80 年代初，保罗・贝尼奥夫（Paul Benioff）、理查德・费曼 （Richard Feynman）等人首次提出量子计算的设想。20 世纪 90 年代，初 步的数学和算法工作开始展开；21 世纪头十年着重于从物理层面呈现量子 比特；2010 年以后，多量子比特系统被证明是可行的，并且可以通过云端 进行访问。2019 年，谷歌公司成功研制出量子计算原型机“悬铃木””，包 含 53 个量子比特；2020 年，IBM 推出了具有 65 个量子比特数的量子计算 机系统。同年 12 月，中国科学技术大学团队构建的光量子计算原型机“九 章”，通过高斯玻色采样（Gaussian Boson Sampling）实验展示了量子计算优 势，成功实现了最多 76 个光子的输出。2024 年 12 月，谷歌发布最新的 willow 量子芯片，具备 105 个量子比特；同月中，中国科学技术大学潘建 伟院士团队发布了祖冲之 3 号超导量子计算机，同样实现了 105 个量子比 特。

量子计算包括不同的技术路线，包括超导量子计算、离子阱量子计算、 中性原子量子计算、光量子计算、硅半导体量子计算等五个主流技术方向。 根据科研论文数量的统计，能反映量子计算不同细分领域的受关注程度。可 以看出，五条技术路线均受到广泛关注，发文量均呈现上升态势。其中，超 导量子计算和中性原子量子计算的论文发表量增长尤为突出。 论文数量上，超导量子计算路线专利的全球申请量为 9380 件，全球授 权量为 3976 件。从专利申请总量和授权总量两方面均可看出，超导路线在 五条技术路线中表现最为突出，这表明到目前为止，超导量子计算路线长期 被业界寄予厚望。

量子计算目前呈现多种硬件技术路线并行发展的态势，中国信通院将 其归纳为两大类，一类是以超导、硅半导体路线为代表的人造粒子路线，另 一类是以离子阱、中性原子、光量子路线为代表的天然粒子路线。前者在扩 展性等方面占据优势，但在逻辑门保真度、量子比特控制等指标提升方面对 加工工艺条件的依赖性较高。后者具有比特全同性和高逻辑门精度等优势， 但实现更大规模的系统会面临困难。近年来，多条技术路线量子比特规模、 质量、退相干时间等关键指标持续优化，技术水平稳步提升，依旧保持多元 化和竞争性的发展格局，路线收敛呈现出较大不确定性，短期内还难以形成 方案聚焦。 超导技术路线基于超导约瑟夫森结构造二能级系统，具有扩展性好、易 操控和集成电路工艺兼容等优势，是关注度最高、发展较为迅速的技术路线 之一。 离子阱技术路线以囚禁在射频电场中离子的超精细或塞曼能级作为量 子比特载体，通过激光或微波进行相干操控，离子阱量子比特的全连接性使 其在操控精度、相干时间等方面具有优势。 中性原子技术路线使用光镊或光晶格进行原子的囚禁，激光激发原子 里德堡态进行逻辑门操作或量子模拟演化，在相干时间、操控精度以及可扩 展性方面占据一定优势。

光量子技术路线利用光子的多个自由度进行编码，优点在于相干时间 长、室温运行以及测控相对简单，可分为逻辑门型光量子计算和专用光量子 计算两类。逻辑门型光量子计算样机研发需要在加强光子间相互作用、构建 双比特逻辑门以及大规模集成光子技术等方面集中攻关，专用光量子计算 则有望在求解组合优化等专用实用化问题中展示优势。 硅半导体技术路线使用量子点中囚禁的单电子或空穴作为量子比特， 通过电脉冲实现量子比特操控和耦合，优势体现在与成熟 CMOS 工艺技术 兼容等方面。硅半导体路线受限于同位素材料加工以及栅极间串扰等因素 影响，规模扩展性和操控精度等指标的突破仍面临诸多挑战，在多元路线竞 争中优势尚不明确。 由于量子计算目前处于早期发展阶段，各技术路线的关键指标发展水 平呈现参差不齐的状态。超导路线的比特数量、逻辑门保真度等指标提升迅 速，其他指标发展也保持相对平衡；离子阱路线在逻辑门保真度和相干时间 指标上表现突出，但比特数量扩展等方面依旧面临瓶颈挑战；中性原子路线 在比特数量、门保真度和相干时间等指标上持续取得进展；光量子路线完成 量子优越性验证，但与硅半导体路线类似，目前在比特数量、逻辑门保真度 和相干时间等指标方面尚未显露明显优势。（以上为根据中国信通院报告总 结） 我们认为，目前量子计算的各技术路线都在以各自优势来演进，但哪 一个技术路线能够真正实现商业应用落地，目前还为时尚早。