WeBank：先手之棋—2020金融量子计算发展报告（29页）.pdf

1、量子计算的技术难点量子计算目前处于基础研究和原型开发阶段，甚至在基础的物理研究上尚未有本质突破。量子计算的技术难点主要有如下三点：第一，操作和控制量子很难。量子相干和测量的特征决定了制造量子计算机的第一步操控单量子，实现单个原子、光子的非破坏测量与控制，就是很大的难点。何况，量子计算机若要进入商业化，必须提高量子比特的数量，但量子纠缠的特性使量子数目提高后的操控难度加大，出错概率上升。目前科学家发明了若干种可控的量子系统，最领先的量子计算实验系统只有两种一个是离子阱，另一个是超导量子电路。其中超导量子电路被视为最有希望的硬件平台。它是一套可以在宏观尺度上对光子和原子进行相互控制和测量的“人造工

2、具箱”。它的各种参数和性质不是由大自然设定，而是可以通过设计在很大范围内进行调整，让科学家可以通过工程方法解决各种实验问题。第二，观察和测量量子的极端困难性。人们要观察和测量量子，才能用它来制造计算机。但是，要观察和操作量子，必然会使之与环境互动。量子在与环境互动过程中会失去量子的纯正特性，发生“退相干”。量子退相干的时间就是“相干时间”（coherence time），目前所以最好的超导人造原子相干时间只能维持10到100微秒，所以量子计算机最多只能连续工作万分之一秒。第三，量子纠错是目前最大的瓶颈。为了克服量子退相干丢失信息的问题，我们会想到纠错。纠错在经典信息技术中就很常见，对信息复制多

3、个副本来防止个别副本的错误。在经典计算机中，信息能够在不同的计算机甚至不同文件夹中能够复制，能够在内存中读写。但是量子具有不可复制的特性（no-cloning principle），因为复制之前需要量子观测，这会改变量子的特性。于是人们发明了量子纠错技术（quantum error correction），把一量子比特信息分散存储在几个高度纠缠的量子比特里。单独的天然或人造原子称为物理量子比特（physical qubit），人们通过集成多个冗余的物理量子比特和“量子门操作”（quantum gate operation）形成容错的逻辑量子比特（fault-tolerant logical q

4、ubit），定期地测度这些额外的物理量子比特，发现错误征状来查错纠错。经过量子纠错，逻辑量子比特的寿命会远超过物理量子比特的相干时间，这才是真正能实用的量子比特。不过，量子纠错会产生大量的资源消耗，因为一个逻辑量子比特需要多个物理量子比特以及逻辑操作时的门电路，所以尽量降低资源消耗和错误概率成为量子纠错算 法领域的重要研究问题，但仍然比较困难。到目前，任何实验系统都没能做出逻辑量子比特。没有量子纠错的“量子计算机”就只能在相干时间内做一些最简单的运算。Google、IBM等公司近两年一直在比拼芯片上“量子比特”的数量，但其实只是寿命几十微秒的物理量子比特，逻辑量子比特的数量都是零。研究者们退而求其次，发明了“量子错误减少”（quantum error mitiga-tion）策略，较为温和地减少量子计算的错误率，支持简单计算，延长退相干时间。