3、如何实现量子计算？
如果我们知道量子计算是如此的令人期待 ， 那么下面进入第二个问题：如何去实现量子计算呢？从数学上讲 ， 量子计算可以分为如下几个步骤：首先我们要有一组完美的量子比特 ， 并且能够将他们初始化 ， 比如全部初始化到基态；然后将问题的初始条件编码到这些比特中去；接下来就是执行算法的部分 ， 它对应于一组量子门操作 ， 可以写成一个总的幺正矩阵U；执行完算法之后 ， 便要对所有的量子比特进行测量 ， 得到最终的计算结果 。 需要注意的是 ， 由于量子测量引起的量子态塌缩是完全随机的 ， 所以上面的过程必须要重复N（N远大于1）次 ， 才能够准确获得末态0和1的分布情况 。 比如说 ， 谷歌的“量子霸权”实验 ， 中间的U就是一组随机选取的量子门 ， 它执行了一百万次 ， 才得到最终的结果 。 当然了 ， 100万次听起来非常之多 ， 但对于量子处理器而言 ， 它执行一次所需要的时间只有200微秒 ， 而且其中绝大部分时间其实是在等待 ， 等量子比特“冷却”下来 ， 所以总的执行时间也只有200秒而已 。 同样的计算 ， 用超级计算机模拟却需要上万年的时间 。 最近我国的科学家张潘利用张量网络方法 ， 将这一模拟时间缩短到了5天 ， 而且只用到了60个GPU组成的集群 ， 可见“量子霸权”也是相对的 。
物理上要去做量子计算 ， 就是一件非常富有挑战的事情了 。 因为实际的物理系统 ， 不可能像数学模型那样完美无缺 ， 它们会受到噪声的影响 ， 会受到各种物理条件的制约 。 更何况我们还要对极其脆弱的量子态做操控和测量 。 这就是为什么量子计算的理论和算法研究早在上世纪八九十年代就出现了 ， 而实验物理研究却一直到2000年以后才逐渐走上快车道 。 现实世界中 ， 能够用来做量子计算的体系有很多 ， 包括自然原子、离子阱、光子、二维电子气、NV-色心、核自旋、冷原子 ， 以及超导量子比特 ， 等等 。 这些物理的量子体系差异很大 ， 某些体系 ， 比如自然原子、离子阱和光子等 ， 它们在室温下就能够保持很好的量子相干性 。 超导量子比特和基于二维电子气的量子点则必须在接近绝对零度的极低温才能保持较好的量子相干性 。 然而 ， 好的量子相干性并不是成为一个好的量子比特的唯一判据 。 下面就讲一下 ， 要成为一款优秀的“量子比特” ， 并成功构建出实用的量子计算机 ， 需要具备那些要素 。 这就是2000年由IBM的一位科学家Divincenzo提出来的五条准则 。 我们就叫它“Divincenzo准则” 。 我们来一条条看：首先 ， 我们必须要能够构建一组 ， 注意不是一个两个 ， 而是能够扩展的大量量子比特 ， 并且能够很好的表征它们 ， 确定它们的哈密顿量 。 这一点其实就排除了很多候选者 ， 比如核磁共振系统和NV-色心 。 它们虽然有足够的相干性 ， 能够很好的操控 ， 但是却无法扩展 。 第二条是必须能够对这组量子比特进行初始化 ， 比如将所有量子比特置于基态 。 这点是不言而喻的 ， 如果初始状态都无法确定 ， 结果肯定是不确定的 。 第三条是量子比特必须具有足够长的退相干时间 。 一般来说 ， 这个时间必须远大于执行完量子门操作所需要的时间 。 否则等量子算法执行完 ， 这些量子比特已经退相干了 ， 测到的就几乎全部是噪声 ， 结果就没有意义了 。 第四点 ， 就是必须能实现一组通用的量子门操作 ， 包括CNOT门、C-相位门以及各种单比特门等 ， 这是执行逻辑运算所必须的 。 这其中最关键的就是两比特门 ， 也叫纠缠门 ， 因为只有单比特门的量子计算机是很容易被经典计算机模拟的 ， 起不到量子加速的作用 。 最后一点：必须能够很好地测量这些量子比特的最终状态 。 这也是显而易见的 ， 测不了就不可能得到运算结果 。 同时满足这五个条件的真实物理系统 ， 就非常少了 。 基于超导量子比特的超导量子计算 ， 就因为在这五点上都能够做得很好 ， 最终脱颖而出 ， 成为现在各大头部公司最看好的技术方案 。 下面就看看这种量子比特到底好在哪 。
4、如何用超导体来实现量子计算？
超导现象从发现至今已经有超过百年的历史了（参见《百年超导路 ， 今朝抵室温》） ， 这是一种非常罕见的、具有非常陡峭转变而且很robust的物理现象 。 BCS理论告诉我们 ， 超导是由于所有传导电子在低温下以库珀对的形式集体凝聚到基态而引起的相变 。 这一相变导致费米能附近打开了一个能隙 ， 任何低于这个能隙的低能过程都无法对电子系统产生有效的激发 ， 从而为各种低能的量子行为提供了绝佳的保护 。 超导态是一种典型的宏观量子现象 ， 因为参与超导电性的粒子是宏观量级的库珀对高度重叠而形成的集体行为 。 这种宏观量子性 ， 为超导量子比特奠定了易于耦合、易于操控也易于读取的先天条件 。 但是 ， 要做量子计算 ， 只有超导性是不够的 。 大块超导体的波函数相位是恒定的 ， 粒子数也趋于无穷 ， 没办法提供量子比特所需要的能级分立性和非线性 。 因此 ， 我们必须想办法 ， 对超导体做额外的约束 。
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