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量子計算機，早先由理查德?費曼提出，一開始是從物理現象的模擬而來的。如果用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。

《新一代人工智能發展規劃》對攻克掌握核心技術方面作了專門部署。結合重大項目，對圍繞人工智能方面的計劃項目部署進行了整體安排，形成“1+N”的人工智能項目群，包括大數據、雲計算、智能製造、機器人、量子計算、量子通信、腦科學等等。新一代人工智能重大科技項目，將和這些已經安排的項目任務，共同形成了國家人工智能研發的總體佈局。

中國不似美歐等國早早認識和研究了量子技術，在量子計算機方面的研究起步較晚。科技部2011年啟動的“十二五”導向性重大項目（超級“973”），要求在2015年實現比特數3的量子芯片。2016年啟動“十三五”重點研發計劃“半導體量子芯片研究”，要求2020年前獲得品質因子1000、比特數6的量子芯片。

2018年2月中科院/中科大團隊發佈量子計算雲平臺最新成果-中科院聯合阿里雲打造的11量子比特超導量子計算的雲平臺，這是繼IBM後全球第二家向公眾提供10量子比特以上超導量子計算雲服務的系統。平臺已成功上線32比特量子虛擬機，並已經實現了64量子比特的量子電路模擬打破IBMQ的56位仿真記錄。

科技興則民族興，科技強則國家強！在經歷過萬千磨難之後，中國企業、學校和研究機構正在積極投身於技術改革和革新中，推動社會的進步，造福國家的百姓，助力中國的崛起。

第一節 可調超導量子比特調研分析

一、超導量子比特介紹

超導量子比特是以量子力學為理論基礎，約瑟夫森結（Josephson junction）為基本載體的量子兩能級系統。超導量子比特具有可與傳統的微電子加工技術兼容、可控性、低損耗以及可擴展性等方面的優勢，所以這是一種很有前景的實現量子計算機的方案之一。對比經典比特之間的邏輯運算和計算處理，我們根據實現量子計算機的物理載體必須具備第三個條件可知，要實現可控的量子比特之間的相干性以及退相干時間，這些都是實現量子計算機的一個必要條件。

注：實現量子計算機的物理載體必須具備的條件：

（1）該量子系統是一個能很好定義的量子系統，量子比特必須是一個具有兩態的量子系統，例如量子點、離子講和超導量子比特；

（2）能精確的初始化到某一個己知的狀態上，如基態、激發態；

（3）需要在量子計算機運行期間要有長的退相干時間，以保證量子計算機的操作；

（4）能夠控制量子比特之間的耦合；

（5）能夠正確地測量到量子比特的所處狀態。

二、超導量子比特和腔的耦合

在2004年Blais將腔量子電動力學（Cavity quantum electrodynamics，Cavity QED）應用到超導電路中，提出了電路量子電動力學系統，隨後傳輸子量子比特與三維腔耦合體系也應運而生。

Cavity QED通過高品質因數Q的諧振腔來研究原子和腔內光子之間的相互作用。外部噪聲能夠影響二能級系統的退相干以及影響原子和光子的相互作用過程，在表徵量子比持參數過程中，可以通過高品質因數的諧振器隔離外部的電磁噪聲並提髙原子的量子相干性。又因為處於激發態的原子由激發態退化到基態時恰好能夠釋放一個光子，所以能夠很好的研究光子的量子特性等。

腔量子電動力學電路為固態量子計算提供了新的方式，併為研究超導量子比特和量子態測量提供了新的途徑。腔量子電動力學的結構可以有效的隔離量子比特與外界的電磁環境極大地降低了外界電磁干擾，並且可以利用腔實現多量子比特耦合。諧振腔與量子比特耦合形成二能級系統。

圖表：腔QED耦合示意

資料來源：中研普華產業研究院

兩能級原子與諧振腔發生相干作用，其耦合強度為g，K為光子的衰減速率，γ是原子的衰減速率，1/Ttransit則是描述原子離開腔的頻率。為了達到強耦合條件，使得g>k，γ，1/Ttransit。

第二節 集合運算在量子計算機上的實現調研分析

一、量子計算的基本原理

1、量子比特

比特（bit）在經典計算機和信息論中是最基本的概念之一，一個比特代表了一個基本單位的信息量。經典的比特只有兩個取值即0和1，在經典計算機中，分別對應著較高和較低的電勢，也就是說比特是對這種物理狀態的數學抽象。和經典比特一樣，量子比特也有一個與之對應的狀態，量子比特的兩個可能的狀態是丨0>和丨1>。它們分別對應著經典信息論中的比特0和1，其中記號“丨>”和“<丨”稱為記號，在量子理論中它們表示的是一個量子狀態。與經典信息論中的比特相比，量子比特除了可以處在“丨0>”“<1丨”之外，也可以處在“丨0>”和“<1丨”的一個線性組合態上即：丨Ψ>=α丨0>+β丨1>。這裡的α和β是複數。也就是說，代表量子比特的一個量子狀態是處在二維復向量空間中的一個向量。這裡的丨0〉態和丨1〉態被稱為計算基態，共同張起了一個二維復向量空間。丨α丨2是對量子狀態丨Ψ〉進行測量得到丨0〉態的概率，同樣，丨β丨2是對量子狀態丨Ψ〉進行測量得到丨1〉的概率，因為概率和總是等於1的，所以丨α丨2+丨β丨2=1。

一個量子比特到底能包含多少信息？隨著α和β的取值不同量子比特丨Ψ〉可以是二維復向量空間中連續的向量，因此原則上一個量子比特可以把我們目前所有的二進制信息儲存在其無限的二進制展開式中。由於量子比特被測量時所表現出來的特殊性質，這個結論只是一個誤導，即：當量子比特被測量時，只能得到非0即1的結果。這種在量子世界中被稱為量子坍縮的特殊現象，使得加載到量子態上的信息在測量時被損失掉了。也就說當我們要想知道這個量子比特所攜帶的信息量時，就必須得對量子比特進行測量，根據量子力學理論，而一次測量只能得到一個比特的信息量，那麼其他的信息在測量時就被損失掉了。事實上只有對無窮多的完全相同的量子比特進行獨立的測量才能得到上述的α和β值，即獲得量子比特丨Ψ〉中的全部信息量。

量子比特不僅僅只是單量子比特，更一般地是由n個單量子比特組成的一個系統。這裡我們只對雙量子比特進行介紹。在經典信息論裡，兩個比特有4種可能的狀態即：00，01，10和11。與之對應，一個雙量子比特也應該有4個基態即：丨00>丨01>丨10>丨11>。當然這個雙量子比特也可以處在這4個基態的疊加態上，即：

丨Ψ〉=α00丨00>+α01丨01>+α10丨10>+α11丨11>。

在雙量子比特中，非常重要的雙量子比特，也是量子計算理論不可缺少的一個雙量子疊加態Bell態或EPR對：丨Ψ〉=（丨00>+丨11>）/√2。它是量子隱形傳態和超密編碼的最關鍵的要素。對處於Bell態的雙量子比特的第一個量子比特進行測量，測量結果是相關的。對一個量子比特測量時得到0的可能性為0.5，從而得到一個狀態丨Ψ〉=丨00>；得到1的機率也為0.5，得到一個狀態丨Ψ〉=丨11>。從對第一個量子比特的測量結果來看，對第二量子比特進行測量得到的結果總是和第一個量子比特的測量結果相同。EPR對由於測量的完全相關性，從而說明了建立在量子規律上的計算機在處理信息上能夠超越建立在經典物理規律上的計算機。

2、量子比特門

經典計算機是由處理信息的邏輯門和傳輸信息的連線組成的。與之類似，量子計算機是由量子線路組成的。量子線路又是由傳輸信息的連線和處理信息的比特門的排列所形成的。量子比特門即邏輯門，實際上是通過一些麼正變換，來實現對含有信息的量子比特從一個狀態變換到另一個狀態。也就是說量子比特門，就是量子力學中的麼正算符。麼正算符作用到量子態上，使量子態按照要求進行演化。

可以根據經典信息論的非門，定義量子計算中的非門。那麼量子非門的作用是將丨0〉丨1〉兩個狀態互換。也就是將狀態：丨Ψ1〉=α丨0〉+β丨1〉變換丨Ψ2〉=β丨0〉+α丨1〉。這裡的量子非門作用是線性的。更方便地，我們可以用矩陣來表示量子非門即UX=。

因此表示單量子比特門的矩陣應該是一個的2×2矩陣。由量子力學規律知，用來表示單量子比特門的矩陣U必須是酉性的，即U+U=I，其中U+是U的共軛轉置。酉性是量子門的唯一限制，每個具有酉性的矩陣都可以對應一個量子門。