量子信息科技前沿與熱點(diǎn)問題

量子信息技術(shù)前沿進(jìn)展普朗克提出量子論（1900）愛因斯坦提出相對(duì)論（1905）量子力學(xué)與相對(duì)論:20世紀(jì)物理學(xué)兩大支柱原子彈（1945）氫彈（1951）中子彈（1962）重大應(yīng)用原子彈（1945）馮·諾依曼現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)重大應(yīng)用

相對(duì)論＋量子力學(xué)CERN互聯(lián)網(wǎng)GPS原子鐘重大應(yīng)用粒子物理，探索宇宙起源數(shù)據(jù)傳輸精確計(jì)時(shí)檢驗(yàn)相對(duì)論二十世紀(jì)，在研究和應(yīng)用量子力學(xué)、相對(duì)論的過程中所催生的信息科學(xué)，為人類帶來(lái)了物質(zhì)文明的巨大進(jìn)步信息科技進(jìn)一步發(fā)展面臨的重大問題隨著半導(dǎo)體晶體管的尺寸接近納米級(jí)，電子的運(yùn)動(dòng)不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，半導(dǎo)體晶體管將不再可靠2011,22nm2022,4nm原子尺寸，0.2nm???未來(lái)的計(jì)算機(jī)是什么樣子？摩爾定律：?jiǎn)挝幻娣e集成電路上可容納的半導(dǎo)體晶體管數(shù)目約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍計(jì)算能力瓶頸“棱鏡門”光纜無(wú)感竊聽信息科技進(jìn)一步發(fā)展面臨的重大問題信息安全瓶頸芯片后門RSA512：1999年被破解；RSA768：2009年被破解；RSA1024?下一代的標(biāo)準(zhǔn)密碼“配對(duì)密碼”2012年被破解……網(wǎng)絡(luò)犯罪每年給全球帶來(lái)高達(dá)4450億美元的經(jīng)濟(jì)損失——美國(guó)戰(zhàn)略和國(guó)際問題研究中心竊聽、黑客攻擊破解超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度突破億億次每秒量子力學(xué)在近百年的發(fā)展過程中，已經(jīng)為解決這些重大問題做好了準(zhǔn)備一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就說這個(gè)物理量是量子化的，把這個(gè)最小單位稱為量子。光子就是光量子，一束光至少包含一個(gè)光子，再少就不存在了。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子中電子的能量不是連續(xù)變化的，而是只能取一些分立的值，也就是說，原子中的電子能量是量子化的。量子化是微觀世界的普遍現(xiàn)象。20世紀(jì)上半葉（主要是從1900年到1930年），普朗克、愛因斯坦、德布羅意、玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克、玻恩、泡利等偉大的物理學(xué)家們創(chuàng)立了量子力學(xué)，這是我們目前對(duì)微觀世界最準(zhǔn)確的描述。量子1911年，實(shí)業(yè)家歐內(nèi)斯特·索爾維創(chuàng)立了的，第一屆索爾維會(huì)議在布魯塞爾召開，以后每3年舉行一屆。1927年，第五屆索爾維會(huì)議在比利時(shí)布魯塞爾召開了，因?yàn)榘l(fā)軔于這次會(huì)議的阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾兩人的大辯論，這次索爾維峰會(huì)被冠之以“最著名”的稱號(hào)。量子本征態(tài)與不確定性對(duì)于任何一個(gè)物理量P（例如位置、動(dòng)量），態(tài)矢量都可以分為兩類。一類具有確定的P，稱為P的本征態(tài)，P的取值稱為這個(gè)本征態(tài)的本征值；另一類不具有確定的P，稱為P的非本征態(tài)。非本征態(tài)比本征態(tài)多得多，如同無(wú)理數(shù)比有理數(shù)多得多。也就是說，絕大多數(shù)情況下，一個(gè)粒子是沒有確定的位置的！非本征態(tài)是一個(gè)客觀真實(shí)的狀態(tài)，跟本征態(tài)同樣客觀真實(shí)，它沒有確定的位置是因?yàn)樗举|(zhì)上就是如此，而不是因?yàn)槲覀兊男畔⒉蝗?lái)打個(gè)比方，有些狀態(tài)可以用指向上下左右的箭頭來(lái)表示，于是你定義“方向”為一個(gè)物理量，但是還有些狀態(tài)是一個(gè)圓！圓狀態(tài)跟箭頭狀態(tài)同樣真實(shí)，只是沒有確定的方向而已。測(cè)量對(duì)P的本征態(tài)測(cè)量P，粒子的狀態(tài)不變，測(cè)得的是這個(gè)本征態(tài)的本征值。對(duì)P的非本征態(tài)s測(cè)量P，會(huì)使粒子的狀態(tài)突然從s變成某個(gè)P的本征態(tài)f，概率是s與f的內(nèi)積的絕對(duì)值的平方|(s,f)|^2，發(fā)生這個(gè)突變后測(cè)得的就是f的本征值。狀態(tài)從s突變到f的概率是|(s,f)|^2，實(shí)際意思就是這兩個(gè)態(tài)越相似，概率就越大。用上面的例子來(lái)說，對(duì)箭頭狀態(tài)測(cè)方向，狀態(tài)不變，得到的就是箭頭的方向；對(duì)圓狀態(tài)測(cè)方向，圓狀態(tài)會(huì)以相同的幾率變成任何一個(gè)箭頭狀態(tài)，得到的是這個(gè)新的箭頭狀態(tài)的方向。對(duì)位置的非本征態(tài)測(cè)量位置，就會(huì)測(cè)得粒子出現(xiàn)在某個(gè)隨機(jī)的位置，而出現(xiàn)在空間所有位置的幾率之和等于1。怎么知道測(cè)量結(jié)果是隨機(jī)的呢？制備多個(gè)具有相同狀態(tài)的粒子，把實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次，就會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果每次都不一樣--量子力學(xué)具有本質(zhì)的隨機(jī)性！量子力學(xué)最大的神秘之一，就是測(cè)量的本質(zhì)誰(shuí)也不知道！目前只能把測(cè)量理解為一種操作定義：對(duì)本征態(tài)的測(cè)量不改變狀態(tài)，得到本征值；對(duì)非本征態(tài)的測(cè)量隨機(jī)地把它改變成某個(gè)本征態(tài)，得到相應(yīng)的本征值。挑戰(zhàn)事實(shí)上，現(xiàn)在仍然有不少人對(duì)量子力學(xué)提出各種各樣的挑戰(zhàn)，包括不少專業(yè)科學(xué)家，民科就更多了（當(dāng)然挑戰(zhàn)相對(duì)論的民科更多）。歷史上，挑戰(zhàn)量子力學(xué)的勢(shì)力更加強(qiáng)大，其中的帶頭大哥就是——愛因斯坦！老愛堅(jiān)信粒子應(yīng)該具有確定的位置和動(dòng)量，世界的演化應(yīng)該是決定性的，對(duì)前面說的量子力學(xué)的不確定性和隨機(jī)性十分不滿。用他自己的話來(lái)說，他相信“沒有人看月亮的時(shí)候，月亮仍然存在”，以及“上帝不擲骰子”。EPR詳謬愛因斯坦是超級(jí)偉大的科學(xué)家，神一樣的人物，他不滿足于只做口舌之爭(zhēng)，打算按照科學(xué)規(guī)范，設(shè)計(jì)一個(gè)判決性的實(shí)驗(yàn)，以可驗(yàn)證的方式證明量子力學(xué)的錯(cuò)誤。1935年，愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，后人用他們的首字母稱為EPR實(shí)驗(yàn)：制備兩個(gè)粒子A和B的“圓”態(tài)，使得在這個(gè)狀態(tài)中兩個(gè)粒子的某個(gè)性質(zhì)（如電子的自旋角動(dòng)量、光子的偏振）相加等于零，而單個(gè)粒子的這個(gè)性質(zhì)不確定。這樣一對(duì)粒子稱為“EPR對(duì)”，屬于量子力學(xué)中的“糾纏態(tài)”，因?yàn)檫@兩個(gè)粒子的性質(zhì)不可分割地糾纏在一起了。然后把這兩個(gè)粒子在空間上分開任意的遠(yuǎn)，再測(cè)量粒子A的這個(gè)性質(zhì)。如果測(cè)得A是“上”，那么就立刻知道了B現(xiàn)在是“下”。問題是，既然A和B已經(jīng)離得非常遠(yuǎn)了，B是怎么知道A發(fā)生了變化，然后發(fā)生相應(yīng)的變化的？EPR認(rèn)為A和B之間出現(xiàn)了“鬼魅般的超距作用”，信息傳遞的速度超過光速，違反相對(duì)論。所以，量子力學(xué)肯定有錯(cuò)誤。解釋與驗(yàn)證量子力學(xué)的正統(tǒng)衛(wèi)道士有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)回答：處于糾纏態(tài)的A和B是一個(gè)整體，當(dāng)你對(duì)A進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，A和B是同時(shí)發(fā)生變化的，并不是A變了之后傳一個(gè)信息給B，B再變化，所以這里沒有信息的傳遞，不違反相對(duì)論。這個(gè)回答怎么樣？不過愛因斯坦一直都不信，以這個(gè)他參與創(chuàng)建的理論的反對(duì)者的身份走完了一生。在愛因斯坦的時(shí)代，EPR實(shí)驗(yàn)只能在頭腦中進(jìn)行。隨著科技的進(jìn)步，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)了。1980年代，阿斯佩克特等人做了EPR實(shí)驗(yàn)，結(jié)果你猜怎么著？完全跟量子力學(xué)的預(yù)言符合！真的是你測(cè)得一個(gè)EPR對(duì)中的A是“上”的時(shí)候，B就變成了“下”。本來(lái)是設(shè)計(jì)出來(lái)否定量子力學(xué)的，反而驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。EPR現(xiàn)象是一個(gè)真實(shí)的效應(yīng)，就可以利用它作量子隱形傳態(tài)（quantumteleportation）。這是1993年按照量子力學(xué)設(shè)計(jì)出來(lái)的一種實(shí)驗(yàn)方案，把一個(gè)粒子A的量子態(tài)傳輸給遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子B，讓B變成A最初的狀態(tài)，傳的是狀態(tài)而不是粒子基本思路是這樣：讓第三個(gè)粒子C跟B組成EPR對(duì)，而C跟A離得很近，跟B離得很遠(yuǎn)。讓A跟C發(fā)生相互作用，改變C的狀態(tài)，于是B的狀態(tài)也發(fā)生了相應(yīng)的變化。A和C這個(gè)兩粒子集合的狀態(tài)有四種可能，即00、01、10、11。B的狀態(tài)也相應(yīng)地有四種可能，每一種可能都跟A最初的狀態(tài)（即你想傳輸?shù)哪繕?biāo)狀態(tài)）有一定程度的相似之處，可以通過某些量子力學(xué)的操作變成目標(biāo)狀態(tài)。對(duì)A和C的整體做一次測(cè)量，A和C就隨機(jī)地突變到了00、01、10、11這四種狀態(tài)中的某一個(gè)上，B也突變到了相應(yīng)的狀態(tài)?，F(xiàn)在你得到了00、01、10或11，你可以把它理解為一個(gè)密碼。把這個(gè)密碼通過經(jīng)典的通訊手段（比如電話、光纜）告訴B那邊的人，對(duì)B按照密碼進(jìn)行操作，就得到了A最初的狀態(tài)?？梢?，量子隱形傳態(tài)的基本元素包括中介粒子、密碼和經(jīng)典信道。量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)是在什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的？答案是1997年，當(dāng)時(shí)潘建偉在奧地利因斯布魯克大學(xué)的塞林格（AntonZeilinger）教授組里讀博士，他們?cè)凇蹲匀弧飞习l(fā)表了一篇題為《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》（“Experimentalquantumteleportation”）的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章后來(lái)入選了《自然》雜志的“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，跟它并列的包括倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等等。--A粒子最初是紅色的，通過隱形傳態(tài)讓遠(yuǎn)處的B粒子變成紅色，而A粒子同時(shí)變成了綠色單自由度量子隱形傳態(tài)光子具有自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量。在以前的實(shí)驗(yàn)中，傳的只是自旋角動(dòng)量的狀態(tài)。但是如果你想真正傳輸一個(gè)光子的完整狀態(tài)，就需要把這兩個(gè)自由度的狀態(tài)都傳過去。潘建偉研究組實(shí)現(xiàn)的就是這件事。所以完整意義的量子隱形傳態(tài)，應(yīng)該說是2015年才實(shí)現(xiàn)的。打個(gè)比方，現(xiàn)在用顏色和形狀來(lái)表示狀態(tài)，A粒子最初是紅色的正方形，我們可以讓B粒子變成紅色的正方形，同時(shí)A變成綠色的圓形。雙自由度量子隱形傳態(tài)由于這項(xiàng)工作的重要性，《自然》在同一期上評(píng)論道：“該實(shí)驗(yàn)為理解和展示量子物理的一個(gè)最深遠(yuǎn)和最令人費(fèi)解的預(yù)言邁出了重要的一步，并可以作為未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)強(qiáng)大的基本單元。”1997年是實(shí)現(xiàn)了道生一，這次是實(shí)現(xiàn)了一生二。不過，離傳人有多遠(yuǎn)的距離呢？可以這樣估算。12克碳原子是1摩爾，即6.023*10^23個(gè)。人的體重如果是60公斤，就大約有5000摩爾的原子，3*10^27個(gè)。描述一個(gè)原子的狀態(tài)，我不知道要多少個(gè)自由度，姑且算作10個(gè)吧。那么要描述一個(gè)人，就需要10^28量級(jí)的自由度。多自由度量子隱形傳態(tài)以上介紹摘自----袁嵐峰：科普量子瞬間傳輸技術(shù)，包你懂！疊加態(tài)量子構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元能量的最基本攜帶者不可分割光子原子分子量子比特經(jīng)典比特01＋量子疊加與量子比特

光子極化

量子不可克隆定理:未知的量子態(tài)無(wú)法被精確復(fù)制！在量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)中，人們發(fā)展和掌握了對(duì)單個(gè)量子的狀態(tài)進(jìn)行人工制備、對(duì)多個(gè)量子間相互作用進(jìn)行主動(dòng)操縱的能力＋“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”——愛因斯坦量子糾纏量子糾纏＋無(wú)條件安全的通信手段超快的計(jì)算能力，有效揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律測(cè)量精度超越經(jīng)典極限量子信息量子通信量子計(jì)算與模擬量子精密測(cè)量C.H.BennettR.

FeynmanP.ShorT.H?nschJ.Hall量子通信一次一密，完全隨機(jī)量子不可分割量子不可克隆定理原理上無(wú)條件安全的通信方式存在竊聽必然被發(fā)現(xiàn)加密內(nèi)容不可破譯單粒子方案

：Bennett&Brassard(1984)糾纏態(tài)方案：Ekert,PRL67,661(1991)量子保密通信的安全性C.Shannon密鑰必須隨機(jī)產(chǎn)生密鑰不能重復(fù)使用密鑰明文長(zhǎng)度一樣無(wú)條件安全"CommunicationTheoryofSecrecySystems".BellSystemTechnicalJournal28,656(1949)Masanes

etal.,PRL102,140501(2009)只要因果律成立（無(wú)法超光速通信），量子密鑰分發(fā)的安全性就是得到嚴(yán)格證明的保密通信的安全性密鑰分發(fā)的安全性利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)，需150000年利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需1秒3個(gè)比特可代表8種狀態(tài)，但寄存器卻只能記錄其中一個(gè)結(jié)果，而3個(gè)量子比特構(gòu)成的寄存器具備線性疊加態(tài)效果，可同時(shí)記錄8種數(shù)值結(jié)果。量子并行性：可以同時(shí)對(duì)2N個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)重復(fù)實(shí)施2N次操作量子計(jì)算大數(shù)分解“大數(shù)據(jù)”、人工智能等求解一個(gè)億億億變量的方程組，利用億億次的“天河二號(hào)”需要100年利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需0.01秒解決大規(guī)模計(jì)算難題：密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探……量子計(jì)算基本原理量子比特能秒殺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特得益于兩個(gè)獨(dú)特的量子效應(yīng)：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能讓一個(gè)量子比特的值不僅僅是0或1，而是同時(shí)具備這兩種狀態(tài)，這可以實(shí)現(xiàn)同步計(jì)算。量子糾纏能讓一個(gè)量子比特與空間上獨(dú)立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級(jí)疊加，每個(gè)量子比特的處理能力因此翻倍。比如，5個(gè)糾纏的量子比特能同時(shí)執(zhí)行25或32個(gè)計(jì)算操作，而傳統(tǒng)算機(jī)不得不按順序進(jìn)行32次計(jì)算。理論上，只要300全糾纏的量子比特就能支持比宇宙中原子數(shù)量更多的平行計(jì)算。這種大規(guī)模并行可能在很多任務(wù)上并沒有什么價(jià)值—沒有人認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)會(huì)革命文字處理或電子郵件。但其可以極大地加速被設(shè)計(jì)用來(lái)同時(shí)探索大量不同路徑的算法，包括：大數(shù)據(jù)搜索、發(fā)現(xiàn)新型催化劑、對(duì)用于加密數(shù)據(jù)的大數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解，也可以在物理學(xué)領(lǐng)域被用來(lái)模擬黑洞等量子計(jì)算的萌芽然而，量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)是非常脆弱的。一點(diǎn)來(lái)自環(huán)境的輕微擾動(dòng)就能將其破環(huán)—甚至對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)就會(huì)破壞其狀態(tài)。量子計(jì)算機(jī)需要被保護(hù)起來(lái)，以免受耶魯大學(xué)物理學(xué)家RobertSchoelkopf所說的「經(jīng)典混沌之海（aseaofclassicalchaos）」的干擾。雖然相關(guān)理論在20世紀(jì)80年代初就開始萌芽，但實(shí)驗(yàn)量子計(jì)算直到1995年才得以發(fā)展。1995年，新澤西州MurrayHill貝爾實(shí)驗(yàn)室一位名叫PeterShor的數(shù)學(xué)家證明了運(yùn)用量子計(jì)算機(jī)能有效地進(jìn)行大數(shù)的因式分解，這種能力使得現(xiàn)代密碼學(xué)在量子計(jì)算機(jī)面前變得不堪一擊。Shor和其他一些學(xué)者也證明，從理論上來(lái)說通過鄰近的量子比特來(lái)糾正錯(cuò)誤，一直保持脆弱量子比特的穩(wěn)定性是可能實(shí)現(xiàn)的。量子計(jì)算的競(jìng)賽科技巨頭英特爾、微軟、IBM和谷歌正在量子計(jì)算上投入數(shù)千萬(wàn)美元。然而這些競(jìng)爭(zhēng)者們正將賭注下在不同的技術(shù)黑馬上：仍然無(wú)人知曉驅(qū)動(dòng)一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)需要什么類型的量子比特（qubit）。谷歌被視為這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊：微型超導(dǎo)電路，已經(jīng)打造出了一臺(tái)9量子比特的機(jī)器，并希望一年內(nèi)擴(kuò)展至49量子比特——這是一個(gè)非常重要的門檻。在50量子比特階段，許多人認(rèn)為一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就可以成為「量子霸權(quán)（quantumsupremacy）」，這是加州理工的物理學(xué)家JohnPreskill創(chuàng)造的詞匯以表示一臺(tái)可以完成超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)范圍的任務(wù)的量子計(jì)算機(jī)。在開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)中，不同的公司看中了不同的量子比特（qubit），每一種技術(shù)都有優(yōu)缺點(diǎn)。量子計(jì)算—囚禁離子DavidWineland是美國(guó)NIST的一位物理學(xué)家，曾經(jīng)獲得過諾貝爾獎(jiǎng)，他率先提出了激光冷卻離子并控制其內(nèi)部量子態(tài)的方法。在Shor的研究發(fā)布之后不到一年的時(shí)間里，Wineland和當(dāng)時(shí)NIST的另外一位科學(xué)家Monroe就通過用激光控制鈹離子中的電子態(tài)的方法，建立了第一個(gè)量子機(jī)制邏輯門。Monroe正在和囚禁離子研究中遇到的挑戰(zhàn)「纏斗」。囚禁離子的量子比特可以維持?jǐn)?shù)秒的穩(wěn)定，這一特性得益于真空腔和電極的作用，它們可以在外部噪聲存在的情況下維持量子比特的穩(wěn)定。但是通過真空腔將量子比特隔離后會(huì)遇到另一個(gè)問題：怎么使量子比特之間相互作用？Monroe最近成功將22個(gè)鐿離子糾纏成了一個(gè)直線鏈，但是目前他還不能夠控制或查詢?cè)撴溨械乃须x子對(duì)——而這正是量子計(jì)算機(jī)所需要的。量子計(jì)算—超導(dǎo)回路21世紀(jì)初，囚禁離子（trappedion）的概念受到了另一個(gè)新概念的挑戰(zhàn)：由超導(dǎo)體制成的回路，所使用的超導(dǎo)體是一種帶有振蕩電路的金屬材料，其在冷卻到接近絕對(duì)零點(diǎn)時(shí)沒有電阻。量子比特的0和1與不同的電流強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)?；芈吠ㄟ^肉眼便可以觀察，不需要用到激光，用簡(jiǎn)單的微波電子技術(shù)就可以控制，制作過程只需要使用常規(guī)的計(jì)算機(jī)芯片制造技術(shù)。此外，回路的運(yùn)行也非?？?。但是超導(dǎo)體有一個(gè)致命的弱點(diǎn)：環(huán)境噪音，即使是用來(lái)控制它們的電子設(shè)備，都能在不到一微秒的時(shí)間之內(nèi)打亂其量子疊加態(tài)。但是工程技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)將回路的穩(wěn)定性提高了至少一百萬(wàn)倍，所以現(xiàn)在它們保持疊加態(tài)的時(shí)間可以達(dá)到幾十微秒，雖然維持時(shí)間仍然比離子要短得多。量子計(jì)算—超導(dǎo)量子比特谷歌已經(jīng)招募到了加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）的超導(dǎo)量子比特專家JohnMartinis。在UCSB的時(shí)候，JohnMartinis深入研究了D-Wave系統(tǒng)的運(yùn)行方式和短板。谷歌在2014年幾乎將Martinis的整個(gè)研究組都挖過去了，招募了組內(nèi)的12名成員。之后不久，Martinis團(tuán)隊(duì)就宣布他們構(gòu)造出了一個(gè)9量子比特的量子計(jì)算機(jī)。他們所構(gòu)建的這個(gè)擁有9量子比特的量子計(jì)算機(jī)至今為止依然是最大的可編程的量子計(jì)算機(jī)之一，目前他們正在研究如何對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。為了避免所建的量子計(jì)算機(jī)是一堆雜亂線路的混合體，他們重新將該量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建成了一個(gè)二維的陣列，該陣列位于一塊蝕刻有控制線的晶圓之上。量子計(jì)算—半導(dǎo)體量子點(diǎn)在對(duì)未來(lái)量子計(jì)算的賭局中，英特爾押上了最重的籌碼，它在2015年宣布，將對(duì)源自荷蘭Delft科技大學(xué)的一家公司QuTech投入5000萬(wàn)美元的研究資金。這一公司致力于開發(fā)硅量子點(diǎn)（siliconquantumdots）研究，它也經(jīng)常被稱為「人工原子（artificialatoms）」。每個(gè)點(diǎn)量子比特是一塊小材料，其結(jié)構(gòu)就像原子一樣，電子的量子態(tài)可以用來(lái)表示0和1。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要用激光。早期的實(shí)驗(yàn)中，量子點(diǎn)由砷化鎵的近乎完美的晶體制成，但是研究人員目前已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用硅，并希望利用半導(dǎo)體工業(yè)現(xiàn)成的大量制造設(shè)施。然而，硅基量子比特的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及那些基于離子和超導(dǎo)體的競(jìng)爭(zhēng)者，其第一個(gè)雙量子比特邏輯門直到去年才由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究者開發(fā)出來(lái)。量子計(jì)算—拓?fù)淞孔颖忍匚④浀男袆?dòng)看起來(lái)更加有遠(yuǎn)見：基于非阿貝爾任意子的拓?fù)淞孔颖忍兀╰opologicalqubits）。這根本不是物體—它們是準(zhǔn)粒子，沿著兩種不同的材料的結(jié)合處運(yùn)動(dòng)—它們的量子態(tài)在其運(yùn)行的不同路徑中被編碼。因?yàn)檫\(yùn)行路徑的交匯導(dǎo)致了量子比特的疊加，所以它們會(huì)被「拓?fù)浔Ｗo(hù)」免于塌縮，就像系好的鞋帶，即使在運(yùn)動(dòng)中也不會(huì)松開。這種性質(zhì)意味著理論上，拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)不需要將大量的量子比特用在糾錯(cuò)上。早在2005年，一個(gè)微軟領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提出了一種在混合半導(dǎo)體—超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中建立拓?fù)浔Ｗo(hù)—的量子比特的方法，近年來(lái)微軟已經(jīng)資助了多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)試圖制造這樣的機(jī)器。這些團(tuán)隊(duì)的最新論文和貝爾實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)獨(dú)立研究展示了這種任意子（anyon）在特定電路中的運(yùn)動(dòng)方式，科學(xué)家們正在接近制出真正的量子比特Science：實(shí)用量子計(jì)算機(jī)已近在咫尺Science：實(shí)用量子計(jì)算機(jī)已近在咫尺Science：實(shí)用量子計(jì)算機(jī)已近在咫尺未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)很可能是一個(gè)混合物，它利用超快的超導(dǎo)量子比特運(yùn)行算法，然后用更穩(wěn)定的離子內(nèi)存輸出，同時(shí)使用光子在該機(jī)器的不同部分之間或量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間穿梭傳遞信息。微軟研究人員KrystaSvore說：「可以想象我們會(huì)身處這樣一個(gè)境地：有幾類量子比特，它們各自扮演不同角色?！沽孔幽M揭示新能源、新材料機(jī)制：高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)、人工固氮、慣性約束核聚變……費(fèi)曼普適的量子模擬器可以由可控的人造量子系統(tǒng)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜量子體系的狀態(tài)及其演化規(guī)律經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法對(duì)復(fù)雜量子體系的行為進(jìn)行有效模擬（模擬300個(gè)兩能級(jí)粒子的演化需要的經(jīng)典存儲(chǔ)空間為~2300，超過已知宇宙中原子數(shù)目的總和！）量子疊加

量子干涉原子干涉儀測(cè)量（重力）加速度：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下精度6.7

10-12g可用于高精度自主導(dǎo)航潛艇慣性導(dǎo)航：若對(duì)加速度的測(cè)量精度達(dá)到5

10-9g，則航行100天后的位置測(cè)量誤差小于1km！不需借助衛(wèi)星導(dǎo)航，長(zhǎng)期潛伏目前最好的經(jīng)典加速度計(jì)，日誤差約200m，航行100天后誤差達(dá)到20km，需要借助衛(wèi)星修正位置量子精密測(cè)量原子加速度計(jì)原子陀螺儀實(shí)用化光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)合肥全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)在60周年國(guó)慶閱兵關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建了“量子通信熱線”，用于重要信息的傳送保障合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)(46個(gè)節(jié)點(diǎn),2012年)新華社新聞大廈新華社金融信息交易所>20km金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)(2012)“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”在北京投入永久運(yùn)行，為“十八大”等國(guó)家重要政治活動(dòng)提供重要的信息安全保障京西賓館人民大會(huì)堂中南海實(shí)用化光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)上海濟(jì)南北京合肥國(guó)家發(fā)改委“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程基于可信中繼的千公里級(jí)高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò),大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺(tái)參加單位任務(wù)中國(guó)科大建設(shè)主體中國(guó)有線光纖線路保障銀監(jiān)會(huì)、中國(guó)工商銀行、民生銀行、新華社等金融領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)用化光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)上海合肥濟(jì)南北京烏魯木齊衛(wèi)星2016年成功發(fā)射，將在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信參加單位任務(wù)中國(guó)科大天地一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)量子通信有效載荷上海技物所空間光跟瞄航天工