量子计算机擂台赛:中国研究组走到谷歌前头(组图)

　　中国量子计算取得突破

　　杜江峰研究组把金刚石的一个碳原子由氮原子取代，外加氮原子旁边的一个空位，组成了NV色心结构，成为单自旋固态量子计算的载体。基于金刚石体系的固态量子计算有标准量子计算的门操作，是真正的量子计算。

　　金刚石中NV色心的结构

　　量子比特可以分为物理比特和逻辑比特。物理比特并不稳定，可能现在有10个物理比特，但很快就丧失了。因此，不得不通过纠错码过程对10个物理比特做冗余，最后生成了一个逻辑比特，逻辑比特有很好的容错特性。

　　量子计算要产生相对于传统计算的足够优势，有效的逻辑比特的数目必须要大于30的情况下才行，要做出真正的量子计算机则需要几百上千物理比特。而量子技术需要利用量子相干性才可以做计算，但每个量子比特都非常脆弱，很容易被环境退相干，使量子的相干性丧失，而且退相干的速度随着体系的扩大而呈指数增加，量子比特越多，退相干速度越快。

　　这时候就必须采用纠错码技术，鉴定噪声的可能状态，在假定了噪声特性的基础上，构建纠错码系统，构建纠错容错的理论体系。

　　其实，传统计算机也会发生计算错误，但可以通过纠错码计算。而量子计算机也是这样，如果能够达到容错预值(容错预值不仅仅是对操作精度，对噪声的总体水平有一个约束的关系)——外界噪声低到一定水平，操作达到一定精度之时，就可以满足容错计算。

　　杜江峰研究组在传统的纠错码下达到了非常高的操作精度，量子逻辑门精度达到了99.99%，其单比特门精度已经满足容错计算的需求。

　　NV 色心 GSD 成像实验平台

　　要构建量子计算机，下一步的工作就是系统扩展，把成百上千的逻辑比特都达到满足容错计算的精度，那量子计算就可以实现了。但系统扩展难度非常大，建成量子计算机任重道远。因此，虽然杜江峰研究组确实取得了关键技术突破，但俄媒报道“中国学者基于金刚石建成世界首台量子计算机”显然是夸大其词。

　　中美量子超算孰优孰劣

　　杜江峰研究组基于金刚石体系的固态量子计算是开创了一个新体系，但其NV色心可集成性远远不如量子点系统和超导系统，离建成真正的量子计算机还有相当漫长的路要走。

　　量子点系统、超导系统具有可集成性，但操作精度远远达不到量子计算的要求——而这也是谷歌之所以研究量子退火，而非标准量子计算机的原因。而借助超导体系已有的相对成熟的超导电子学，谷歌可以比较容易集成数量较多的量子位，但选择了这条路也意味着谷歌不存在用量子退火机“升级”，制造出量子计算机的可能性。

　　因此，就构建标准量子计算机而言，杜江峰研究组显然是走在了谷歌前头。

　　但中科大和谷歌并非中美两国唯一研究量子计算的科研单位——清华大学正在研究离子和核自旋的量子计算;国防科大和中科院武汉物理数学所正在研究离子系统的量子计算;南京大学正在研究基于超导材料的量子计算，这些单位都建成了相应的实验平台，具备了开展高水平研究的条件。而美国IBM也在量子计算机领域深耕多年(非谷歌的退火机，是真正的量子计算机)。在此情形下，断言中美量子计算孰优孰劣还为时尚早。