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量子计算机，早先由理查德?费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。

《新一代人工智能发展规划》对攻克掌握核心技术方面作了专门部署。结合重大项目，对围绕人工智能方面的计划项目部署进行了整体安排，形成“1+N”的人工智能项目群，包括大数据、云计算、智能制造、机器人、量子计算、量子通信、脑科学等等。新一代人工智能重大科技项目，将和这些已经安排的项目任务，共同形成了国家人工智能研发的总体布局。

中国不似美欧等国早早认识和研究了量子技术，在量子计算机方面的研究起步较晚。科技部2011年启动的“十二五”导向性重大项目（超级“973”），要求在2015年实现比特数3的量子芯片。2016年启动“十三五”重点研发计划“半导体量子芯片研究”，要求2020年前获得品质因子1000、比特数6的量子芯片。

2018年2月中科院/中科大团队发布量子计算云平台最新成果-中科院联合阿里云打造的11量子比特超导量子计算的云平台，这是继IBM后全球第二家向公众提供10量子比特以上超导量子计算云服务的系统。平台已成功上线32比特量子虚拟机，并已经实现了64量子比特的量子电路模拟打破IBMQ的56位仿真记录。

科技兴则民族兴，科技强则国家强！在经历过万千磨难之后，中国企业、学校和研究机构正在积极投身于技术改革和革新中，推动社会的进步，造福国家的百姓，助力中国的崛起。

第一节 可调超导量子比特调研分析

一、超导量子比特介绍

超导量子比特是以量子力学为理论基础，约瑟夫森结（Josephson junction）为基本载体的量子两能级系统。超导量子比特具有可与传统的微电子加工技术兼容、可控性、低损耗以及可扩展性等方面的优势，所以这是一种很有前景的实现量子计算机的方案之一。对比经典比特之间的逻辑运算和计算处理，我们根据实现量子计算机的物理载体必须具备第三个条件可知，要实现可控的量子比特之间的相干性以及退相干时间，这些都是实现量子计算机的一个必要条件。

注：实现量子计算机的物理载体必须具备的条件：

（1）该量子系统是一个能很好定义的量子系统，量子比特必须是一个具有两态的量子系统，例如量子点、离子讲和超导量子比特；

（2）能精确的初始化到某一个己知的状态上，如基态、激发态；

（3）需要在量子计算机运行期间要有长的退相干时间，以保证量子计算机的操作；

（4）能够控制量子比特之间的耦合；

（5）能够正确地测量到量子比特的所处状态。

二、超导量子比特和腔的耦合

在2004年Blais将腔量子电动力学（Cavity quantum electrodynamics，Cavity QED）应用到超导电路中，提出了电路量子电动力学系统，随后传输子量子比特与三维腔耦合体系也应运而生。

Cavity QED通过高品质因数Q的谐振腔来研究原子和腔内光子之间的相互作用。外部噪声能够影响二能级系统的退相干以及影响原子和光子的相互作用过程，在表征量子比持参数过程中，可以通过高品质因数的谐振器隔离外部的电磁噪声并提髙原子的量子相干性。又因为处于激发态的原子由激发态退化到基态时恰好能够释放一个光子，所以能够很好的研究光子的量子特性等。

腔量子电动力学电路为固态量子计算提供了新的方式，并为研究超导量子比特和量子态测量提供了新的途径。腔量子电动力学的结构可以有效的隔离量子比特与外界的电磁环境极大地降低了外界电磁干扰，并且可以利用腔实现多量子比特耦合。谐振腔与量子比特耦合形成二能级系统。

图表：腔QED耦合示意

资料来源：中研普华产业研究院

两能级原子与谐振腔发生相干作用，其耦合强度为g，K为光子的衰减速率，γ是原子的衰减速率，1/Ttransit则是描述原子离开腔的频率。为了达到强耦合条件，使得g>k，γ，1/Ttransit。

第二节 集合运算在量子计算机上的实现调研分析

一、量子计算的基本原理

1、量子比特

比特（bit）在经典计算机和信息论中是最基本的概念之一，一个比特代表了一个基本单位的信息量。经典的比特只有两个取值即0和1，在经典计算机中，分别对应着较高和较低的电势，也就是说比特是对这种物理状态的数学抽象。和经典比特一样，量子比特也有一个与之对应的状态，量子比特的两个可能的状态是丨0>和丨1>。它们分别对应着经典信息论中的比特0和1，其中记号“丨>”和“<丨”称为记号，在量子理论中它们表示的是一个量子状态。与经典信息论中的比特相比，量子比特除了可以处在“丨0>”“<1丨”之外，也可以处在“丨0>”和“<1丨”的一个线性组合态上即：丨Ψ>=α丨0>+β丨1>。这里的α和β是复数。也就是说，代表量子比特的一个量子状态是处在二维复向量空间中的一个向量。这里的丨0〉态和丨1〉态被称为计算基态，共同张起了一个二维复向量空间。丨α丨2是对量子状态丨Ψ〉进行测量得到丨0〉态的概率，同样，丨β丨2是对量子状态丨Ψ〉进行测量得到丨1〉的概率，因为概率和总是等于1的，所以丨α丨2+丨β丨2=1。

一个量子比特到底能包含多少信息？随着α和β的取值不同量子比特丨Ψ〉可以是二维复向量空间中连续的向量，因此原则上一个量子比特可以把我们目前所有的二进制信息储存在其无限的二进制展开式中。由于量子比特被测量时所表现出来的特殊性质，这个结论只是一个误导，即：当量子比特被测量时，只能得到非0即1的结果。这种在量子世界中被称为量子坍缩的特殊现象，使得加载到量子态上的信息在测量时被损失掉了。也就说当我们要想知道这个量子比特所携带的信息量时，就必须得对量子比特进行测量，根据量子力学理论，而一次测量只能得到一个比特的信息量，那么其他的信息在测量时就被损失掉了。事实上只有对无穷多的完全相同的量子比特进行独立的测量才能得到上述的α和β值，即获得量子比特丨Ψ〉中的全部信息量。

量子比特不仅仅只是单量子比特，更一般地是由n个单量子比特组成的一个系统。这里我们只对双量子比特进行介绍。在经典信息论里，两个比特有4种可能的状态即：00，01，10和11。与之对应，一个双量子比特也应该有4个基态即：丨00>丨01>丨10>丨11>。当然这个双量子比特也可以处在这4个基态的叠加态上，即：

丨Ψ〉=α00丨00>+α01丨01>+α10丨10>+α11丨11>。

在双量子比特中，非常重要的双量子比特，也是量子计算理论不可缺少的一个双量子叠加态Bell态或EPR对：丨Ψ〉=（丨00>+丨11>）/√2。它是量子隐形传态和超密编码的最关键的要素。对处于Bell态的双量子比特的第一个量子比特进行测量，测量结果是相关的。对一个量子比特测量时得到0的可能性为0.5，从而得到一个状态丨Ψ〉=丨00>；得到1的几率也为0.5，得到一个状态丨Ψ〉=丨11>。从对第一个量子比特的测量结果来看，对第二量子比特进行测量得到的结果总是和第一个量子比特的测量结果相同。EPR对由于测量的完全相关性，从而说明了建立在量子规律上的计算机在处理信息上能够超越建立在经典物理规律上的计算机。

2、量子比特门

经典计算机是由处理信息的逻辑门和传输信息的连线组成的。与之类似，量子计算机是由量子线路组成的。量子线路又是由传输信息的连线和处理信息的比特门的排列所形成的。量子比特门即逻辑门，实际上是通过一些么正变换，来实现对含有信息的量子比特从一个状态变换到另一个状态。也就是说量子比特门，就是量子力学中的么正算符。么正算符作用到量子态上，使量子态按照要求进行演化。

可以根据经典信息论的非门，定义量子计算中的非门。那么量子非门的作用是将丨0〉丨1〉两个状态互换。也就是将状态：丨Ψ1〉=α丨0〉+β丨1〉变换丨Ψ2〉=β丨0〉+α丨1〉。这里的量子非门作用是线性的。更方便地，我们可以用矩阵来表示量子非门即UX=。

因此表示单量子比特门的矩阵应该是一个的2×2矩阵。由量子力学规律知，用来表示单量子比特门的矩阵U必须是酉性的，即U+U=I，其中U+是U的共轭转置。酉性是量子门的唯一限制，每个具有酉性的矩阵都可以对应一个量子门。