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本期发布术语热词：量子比特（Qubit）

量子比特(Qubit)

作者：吴昊（电子科技大学）、李晓瑜（电子科技大学）、张鹏（天津大学）、朱钦圣（电子科技大学）

开篇导语

比特是经典信息论中承载信息的最小单元，它有0和1两种不同的状态。而量子信息中承载信息的基本单元称为量子比特，与经典比特仅含两个状态不同，它可处于状态|0>和|1>的任意叠加态。利用量子比特状态的叠加性设计合适的量子算法，对特定的问题可实现量子优越性(Quantum advantage)。高精度的制造和操纵量子比特是实现量子计算的前提。

InfoBox：

中文名：量子比特

外文名：Qubit

学科：量子信息、量子计算

概念简介：

1982年著名科学家费曼（Richard Feynman）首先提出利用量子模拟来解决经典计算机模拟量子多体系统时的指数墙困难，而英国科学家大卫·杜斯（David Deutsch）则在1985年提出了“量子图灵机”的通用模型。1994年Shor提出了著名的量子因数分解算法，首次在一个具有重大现实价值的问题上展示了量子计算相对经典计算的指数加速，充分展示了量子计算的优越性。量子计算是一种遵循量子力学规律的新型计算模式，将信息通过量子比特编码于量子态上，而对信息的处理（如计算、传输、测量等）均按量子力学的规律进行。

经典比特仅包含两个状态0和1，而量子比特可处于|0>和|1>同时存在的叠加态：其中α和β都是复数，且在著名的薛定谔猫的理想实验中，打开箱子前的猫就处于这样的一种叠加态（“死猫”和“活猫”的叠加态）。量子比特的状态（纯态）可看作二维复向量空间中一个单位矢量，|0>和|1>是构成这个空间的一组正交基，也称计算基矢。对此量子比特进行测量时，得到结果|0⟩的概率为而得到|1⟩的概率为2量子比特的量子态可表示为：诸如形式的量子纠缠态(Quantum entangled state)均在其中。

基于量子比特的量子计算实验进展：

精确制造大量高品质量子比特是实现量子计算的前提，光子的偏振、原子的核自旋能级、原子的超精细能级等均可作为量子比特。根据DiVencenzo判据，量子比特需具有门保真度高、相干时间长、测量精度高和可扩展等特征才能实现通用量子计算。然而，没有量子比特在所有条件上都表现良好，不同的系统在优点显著的情况下，缺点也同样需要付出巨大的努力去克服。目前主流的用于量子计算的量子比特包含超导、离子阱、光量子、半导体等系统。

1） 基于超导比特的量子计算：

超导量子比特的核心器件是超导约瑟夫森结，超导约瑟夫森效应提供超导电路中的非线性，使谐振电路中的能级间隔不再相等，保证系统最低两个能级的封闭性，进而实现量子比特^[1]。超导量子比特具有可扩展、易控制等优势，根据结构不同分为Transmon^[2]、Xmon^[3]、Fluxonium^[4]等多种新型超导量子比特。

图1超导电路构成量子比特^[1]（a）超导量子比特的等效电路模型

（b）超导量子比特的能级 （c）不同种类的超导量子比特

2019年9月，美国谷歌公司推出53个超导比特的量子计算原型机“悬铃木（Sycamore）”，并在此系统上首次展示了基于量子线路随机取样问题的量子优越性^[5]（在此问题上的采样速度超过了当时世界排名第一的超级计算机 “Summit”）。

图2 谷歌悬铃木量子处理器

除了谷歌之外，IBM公司也是超导量子计算领域的主要玩家，2022年IBM量子峰会上发布了含433个量子比特量子处理器Osprey。

在国内，中国科学技术大学潘建伟研究组2021年也实现了含62个量子比特的可编程超导量子计算原型机，本源量子公司2021年交付了国内首个工程化超导量子计算机“悟源”，阿里和百度等公司也在开展超导量子计算的研究。

2）基于离子比特的量子计算（离子阱）：

在真空腔中的电场囚禁的离子中，可利用离子的超精细能级或长寿命能级形成量子比特。离子阱系统是最早提出的量子计算系统，其量子比特具有相干时间长，态读出和初始化保真度高（可接近100%）以及门操作精度高等优点。

图3 （a）离子阱装置（b）比特初始化（c）通过荧光探测测量比特状态^[7]

2015年，马里兰大学和杜克大学联合成立了IonQ量子计算公司，并成为全球第一家上市的量子计算机公司，2022年IonQ的钡基离子阱处理器中两比特门的保真度达到99.96%，并推出了含32个量子比特的处理器Forte。霍尼韦尔的衍生量子计算公司Quantinuum于2022年宣布在其H1-1离子阱量子计算系统上刷新了量子体积的世界记录。国内的幺正量子和华翊量子等均发布了自己的离子阱量子计算系统。

3）基于光子比特的量子计算：

光子的偏振、自旋等属性均可作为量子比特，其优势在于光子比特的相干时间长、可常温工作等。2020年中国科学技术大学潘建伟课题组的光量子计算原型机“九章” 演示了最高达76光子的高斯玻色采样，采样速度超越经典超级计算机，继谷歌的悬铃木之后成为全球第二个实现量子优越性^[8]的装置。

图4 九章光量子计算原型机

2022年，加拿大Xanadu报道在Borealis光量子计算机上也同样实现了量子优越性，2023年潘建伟小组发布了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，并完成了对稠密子图等两类具有实用价值的图论问题的求解。

4）基于半导体量子点比特的量子计算：

对半导体量子点中电子的电荷或者自旋量子态进行编码也可作为量子比特^[9]。由于经典计算机基于半导体技术，基于半导体开发的量子计算系统可最大限度的利用现有的半导体技术。与超导系统类似，半导体系统也具有良好的可扩展性。

图5 中科大郭国平研究组的半导体量子芯片^[9]

澳大利亚新南威尔士大学、美国普林斯顿、荷兰代尔夫特大学和日本理化研究所等研究机构在半导体量子计算方面都有不错的工作。除前面介绍的量子比特及系统外，还有中性原子比特、拓扑量子比特等，量子比特以及基于它的量子计算正处于百花齐放的状态。

未来展望：

量子比特是量子信息的基本载体单元，在量子计算、量子通信、量子精密测量等领域都起着关键作用。基于不同量子比特的量子计算线路还远未收敛，不同的线路都在充分发挥本身优势的基础上，努力解决系统的限制。无论基于哪种量子比特的量子计算路线都需要多领域研究人员的通力合作，在量子比特相干时间、门保真度、测量和控制等方面做出重要突破，才能在未来走向成熟实用化。

（本文撰写时参考了《量子计算与量子信息（十周年版）》和《量子计算与量子编程入门》等教材，感谢中国科学技术大学韩永建教授的指正。）

参考文献 References

[1] Devoret, Michel H., and Robert J. Schoelkopf. Superconducting circuits for quantum information: an outlook. Science 339.6124 (2013): 1169-1174.

[2] Hassler, F. , Akhmerov, A. R. , & Beenakker, C. W. J. . (2012). The top-transmon: a hybrid superconducting qubit for parity-protected quantum computation. New Journal of Physics, 13(9), 95004-95016(13).

[3] Najafi-Yazdi, A. , Kelly, J. , & Martinis, J. . (2017). High Fidelity, Numerical Investigation of Cross Talk in a Multi-Qubit Xmon Processor. APS March Meeting 2017. American Physical Society.

[4] Manucharyan, V. E. , Koch, J. , Glazman, L. I. , & Devoret, M. H. . (2009). Fluxonium: single cooper pair circuit free of charge offsets. Science, 326(5949), 113-116.

[5] Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019).

[6] Monroe, Christopher, and Jungsang Kim. Scaling the ion trap quantum processor. Science 339.6124 (2013): 1164-1169

[7] Li, Hai-Ou, et al. Conditional rotation of two strongly coupled semiconductor charge qubits. Nature communications 6 (2015): 7681

[8] Han-Sen Zhong, et al. Quantum computational advantage using photons. Science 370, 1460-1463(2020).

[9] Li, H. O. , Cao, G. , Yu, G. D. , Xiao, M. , Guo, G. C. , & Jiang, H. W. , et al. (2016). Controlled quantum operations of a semiconductor three-qubit system. Physical Review Applied, 9(2).

作者介绍

吴昊 副教授

单位：电子科技大学物理学院

研究领域：量子计算、量子信息、量子机器学习

E-mail：wuhao@uestc.edu.cn

李晓瑜 副教授

单位：电子科技大学信息与软件工程学院

研究领域：量子计算，数据挖掘，数字孪生

E-mail：xiaoyuuestc@uestc.edu.cn

张鹏 教授

单位：天津大学智能与计算学部

研究领域：自然语言处理、信息检索、量子语言模型以及量子机器学习。

E-mail：pzhang@tju.edu.cn

朱钦圣 副教授

单位：电子科技大学物理学院

研究领域：量子信息和人工智能，量子机器学习

E-mail：zhuqinsheng@uestc.edu.cn

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