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CCF YOCSEF 郑州成功举办“量子计算机实用化,哪种技术路线更有潜力?”技术论坛
2022-10-10 阅读量:326 小字

2022年9月22日,CCF YOCSEF郑州举办技术论坛“量子计算机实用化,哪种技术路线更有潜力?”。本次论坛CCF YOCSEF郑州首次尝试通过腾讯Wiz和蔻享学术两个直播平台进行直播,合计1800多人次在线参与了本次技术论坛,达到了理想的传播效果。论坛由CCF YOCSEF郑州2021-2022年度主席刘福东,2022-2023年度副主席张磊担任执行主席,学术秘书吕磊和AC委员姚中原担任线上执行主席。本次活动得到了CCF量子计算专业组大力支持。


引导发言:大咖云集,干货满满

论坛围绕“量子计算机实用化,哪种技术路线更有潜力?”这一主题,邀请了国防科技大学吴俊杰、邓明堂、刘英文,北京量子信息科学研究院金贻荣、王鹏飞,中国科学技术大学曹刚,南京大学赵杰等国内从事量子计算相关研究的专家学者,就半导体、超导、光、拓扑、离子阱等量子计算机不同实现体系的未来发展前景进行分享并展开热烈讨论。

半导体量子计算

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曹刚 教授

中国科学技术大学

中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室特任教授曹刚介绍了半导体量子计算技术路线半导体量子计算是固态半导体进行量子比特编码,是一种可扩展性较好的体系,具备实现大规模通用量子计算机的前提;半导体量子芯片的制备过程与现代半导体工艺兼容,可以将测控电路和量子芯片集成到一起;半导体原则上不需要极低温的环境实现量子比特,在技术成熟后可实现大规模扩展;此外,半导体量子计算的发展可以反向推动经典计算机的发展。


拓扑量子计算

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邓明堂 副研究员

国防科技大学

国防科技大学计算机学院量子信息研究所副研究员邓明堂,就量子计算中比较冷门的拓扑量子计算进行了讲解邓明堂副研究员介绍在凝聚态物理中可以自发进行容错编码的新型物态称为拓扑物态,在拓扑物态中存在非阿贝尔任意子,具备拓扑量子容错特性,非阿贝尔任意子系统通常都有一个简并的基态,如果把系统的两个简并基态看成一个二能级系统的基,则交换操作相当于实现单比特量子门,进而实现量子计算和纠错。拓扑量子跟别的量计算特别是固态计算是不可分割的,理论上近乎完美但在实验上急需突破。


超导量子计算

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赵杰 副研究员

南京大学

在相对冷门的拓扑量子计算之后南京大学副研究员赵杰介绍了超导量子计算的相关情况。超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案,其核心器件是超导约瑟夫森结。超导量子电路在设计,制备和测量等方面与现有的集成电路技术具有较高的兼容性,对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制,规模化的潜力较大。目前我们正处在一个有噪声的中等规模量子计算时代芯片可以做到数十个量子比特超导量子比特的相干时间1纳秒提升到现在接近1毫秒,量子门操作错误率1%0.1%之间可以做一些量子模拟和低线路深度的量子算法


离子阱量子计算

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王鹏飞 助理研究员

北京量子信息科学研究院

北京量子信息科学研究院助理研究员王鹏飞介绍了有些“调皮”的离子阱量子计算。离子阱的原理就是用交变电场来束缚离子。目前离子阱一般分为四级杆阱、刀片阱、多层阱、芯片阱等几种。在一个离子阱里量子比特都可以直接相互作用,可以实现正向量子纠错,保真度比较高,可以达到小时级别的相干时间,实现了4096的量子体积,同时校准成本低,不需要超低温环境,国产化门槛低。


光量子计算

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刘英文 助理研究员

国防科技大学

国防科技大学量子信息研究所助理研究员刘英文,对有“悠久历史的”光量子计算进行了讲解。光子在量子信息技术甚至量子力学的整个发展过程中,扮演了非常重要的角色。光子具有很好的相干性和非线性等特性,利用非线性特性扩展量子比特,已经到了200多个光子数。光量子计算并不需要真空和极低温的环境,单光子操作也比较友好。


思辨讨论:百家争鸣,引人入胜

思辨阶段,吴俊杰研究员和金贻荣研究员作为特邀嘉宾,率先给出了对量子计算发展的各自观点。吴俊杰研究员表示量子计算可以分为两个阶段,专用机和通用机阶段,专用机时期是一个百花齐放的发展态势,可能是半导体、拓扑、超导等各种技术路线,但最终走到通用机的时候会是一种体系胜出,还是会有多种体系的结合,比如离子阱的体系和光去做耦合,非常令人期待。金贻荣研究员对量子计算从2012到2022年十年间的发展进行了回顾,这期间的发展令人欣喜,针对量子计算究竟哪种技术路线更有潜力的问题,他提出无论哪个路线,“可扩展性”是该发展成通用型量子计算机很重要的一个指标。

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吴俊杰 研究员

国防科技大学

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金贻荣 研究员

北京量子信息科学研究院

不同量子计算技术路线优势是什么,实现实用化需要多久?

量子计算技术路线的优势各位专家在引导发言阶段已经介绍,思辨环节大家着重就实现实用化要多久的问题进行了深入讨论。

就目前的研究进展而言,量子计算的的实用化还应区分专用机和通用机的概念,同时也要设置评判标准:

1、高级别实用化:用量子计算机解决经典计算机没有解,或者没办法解决的问题。

2、低级别实用化:用量子计算机解决一个问题,比经典计算机解决的快、解决的好,或者成本低。

经过讨论,大家比较认同的一个观点是,较低级别实用化、专用化的时间约需要5-10年,如果想要在通用领域达到高级别实用化的标准,量子计算可能要在10年之后有希望。

不同量子计算技术路线面临什么挑战?

与会专家从几个方面进行了讨论:

1、分析了目前相对成熟的超导量子计算和离子阱量子计算面临的问题

超导和离子阱技术都面临离子逃逸的的问题,离子在束缚一定时间会逃逸,量子比特就消失了,不同的是离子阱的束缚时间可以以小时为单位,而超导技术的逃逸时间则以秒级别计。离子阱技术突出的一个技术困难是扩展问题;超导量子计算则由于量子比特是人工制造的,校准的时间比较长,在做量子纠缠时,如果规模较大,计算效率就不如离子阱等技术。

2、量子计算机和经典计算机协同计算面临的挑战

量子计算的发展要以理论模型和物理实验的共同发展为前提,现阶段量子计算更适合非精确的求解,无法像经典计算机那样进行精确计算。经典计算机和量子计算机协同计算面临两个方面的问题,第一个是比特数量和保真度,比特数少和保真度不高将影响计算的准确性;第二个是接口的问题,固态量子计算,如超导和半导体,有先天的接口优势,可以与经典计算机很好地结合,但其它非固态量子计算就存在接口问题,需要进一步研究。

不同量子计算技术路线,我国与国外有什么差异?

量子计算是一个新的赛道,我国的量子计算研究可以与国际上最前沿的量子计算研究国家并跑,甚至有些领域可以领跑。如果说我国与外国有什么差异,最主要的还是在人才领域,无论是量子计算的领军人物还是科研人员,和国外相比,我国的人才沉淀储备还有待加强,特别是在拓扑计算等领域仍需要一定时间的沉淀。其次,在国外,量子计算科研、生产的体系相对完备,很多指标由相关量子计算的公司来主导。再次,抛开技术而言,我国的量子计算除了芯片外,在外围设备方面,部分面临“卡脖子”问题,这就不能将目光仅仅局限在量子计算路线的研究上,也要扩大视野考虑量子计算全供应链的自主可控。


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