摘要：非馮·諾伊曼型計算機（如量子計算機和伊辛機），它們的工作原理與現(xiàn)代計算機不同，正引起人們的廣泛關(guān)注。如在組合優(yōu)化問題、量子化學(xué)計算和素因數(shù)分解等特定問題上體現(xiàn)較為明顯，這些都是對社會有影響的重要問題，所以正在深入研究中。本篇文章介紹了新原理計算機的發(fā)展過程，以及日本NTT實驗室的理論和實驗工作。

目前，在半導(dǎo)體行業(yè)中，有一條經(jīng)驗法則叫做“摩爾定律”，即“集成電路上的晶體管數(shù)量每18個月翻一番”。事實上，根據(jù)這一定律，半導(dǎo)體器件在制作工藝上正變得越來越精細，計算機的性能也在逐年提高。同時，隨著摩爾定律的逐步推進，晶體管的體積在不斷變小，原子尺寸也將達到極限。然而，在此之前，有種說法是在量子效應(yīng)出現(xiàn)之前，還存在著一種"量子力學(xué)墻"，而這些物理現(xiàn)象都無法在傳統(tǒng)的電路定律中解釋。

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在量子力學(xué)的世界里，存在著經(jīng)典力學(xué)所沒有的神秘特性，如疊加狀態(tài)、波粒二象性。而量子計算機是一種充分利用這些特性，并以與傳統(tǒng)計算機不同的原理運行的計算機。在當前的信息處理計算過程中，可以取"0"和"1"兩個值的比特進行計算，但是作為量子計算機基本元素的量子比特是可以實現(xiàn)"0"和"1"的任意組合疊加。如準備N個量子比特，2的N次方可以表示一個狀態(tài)的疊加，通過增加量子比特的數(shù)量，疊加態(tài)的數(shù)量呈指數(shù)增長。通過對大量的疊加態(tài)進行計算，可以實現(xiàn)大規(guī)模并行計算，這是量子計算機加速的一個因素條件。

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此外，量子計算機還利用量子比特的波特性，通過量子比特之間的相位干涉效應(yīng)，從大規(guī)模并行計算的結(jié)果中找出所需的解。近年來，與傳統(tǒng)的基于順序計算的馮·諾伊曼計算機不同，基于新原理運行的非馮·諾伊曼計算機（如量子計算機）越來越受到人們的關(guān)注。在本篇文章中，我們將從理論和實驗的角度介紹NTT實驗室在新原理計算機方面的進展與實踐。

新原理計算機

新原理計算機大致可以分為兩種類型：通用量子計算機和量子退火機。

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前者在基態(tài)下準備了大量量子比特，如圖1（a），重復(fù)圖中所示的1個量子比特門操作和2個量子比特門操作同時進行計算，可以發(fā)現(xiàn)一種用于因數(shù)分解和大規(guī)模檢索的量子算法，并且在理論上可以證明其速度比經(jīng)典算法更快。但是，由于量子比特容易受到外部噪聲的影響，經(jīng)常容易發(fā)生錯誤，因此需要大量的量子比特來進行量子糾錯。

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例如，預(yù)估需要2000萬個量子比特來分解2048位（1），以目前的技術(shù)來制造如此多的量子比特非常困難。在后者中，如圖1（b）所示，大量的量子比特在所有狀態(tài)下疊加，即它們在高溫狀態(tài)下制備，并逐漸冷卻從而找到最低能量狀態(tài)（正確答案）。在這一過程中，由于量子隧道效應(yīng)可以從局部穩(wěn)定點逃逸，因此它比經(jīng)典退火算法能更快得出正確答案。

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雖然量子加速尚未得到嚴格證明，但由于它為滿足強社會需求的組合優(yōu)化問題提供了近似解決方案，因此備受關(guān)注。此外，它還具有抗外部噪聲的特性，因為計算可以在緩慢改變穩(wěn)定狀態(tài)的同時中進行，這種類型的計算機也稱為“伊辛機”。如在物理系統(tǒng)中實現(xiàn)優(yōu)化問題時，它使用一種物理模型來表示交互作用的自旋系統(tǒng)（即伊辛模型）。

伊辛機

2011年，加拿大量子計算公司D-Wave Systems發(fā)布了一則消息。D-Wave在使用超導(dǎo)量子比特的通用量子計算機研究中，發(fā)布了演示2個量子比特門操作，以及觀察3個量子比特的糾纏態(tài)等實驗結(jié)果，并宣布其所研制的128個量子比特的量子退火機（D-Wave One）為世界上第一臺商用量子計算機，這也是一臺使用超導(dǎo)量子比特進行計算的伊辛機。與通用量子計算機中使用的鋁量子比特相比，使用超導(dǎo)鎳的D-Wave One量子比特對于量子信息的存儲時間要短得多。雖然當時有一些研究人員懷疑其量子特性是否真實，但在隨后的演示實驗中，證實了其量子特性的確實現(xiàn)了加速。

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2013年，D-Wave Two有512個量子比特；2015年，D-Wave 2X有 1000+個量子比特；2017年，D-Wave 2000有2048個量子比特；2020 年，D-Wave公布了其超過5000個量子比特的量子優(yōu)勢，世界各地的公司都在利用D-Wave提供的云服務(wù)，進而推動了量子退火機對商業(yè)用途的研發(fā)進程。但是，實際業(yè)務(wù)應(yīng)用需要進一步擴展。此外，由于超導(dǎo)量子比特是芯片上的固態(tài)元件，因此存在量子比特之間的耦合受到相鄰量子比特之間的限制。因此，在量子退火機上實現(xiàn)優(yōu)化問題需要比模擬問題規(guī)模更多的量子比特。

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另一方面，在NTT實驗室，采用簡并光學(xué)參量振蕩器（DOPO）實現(xiàn)人工自旋，該機器將大量DOPO脈沖限制在光纖諧振器中，實現(xiàn)自旋之間的完全耦合，并開發(fā)出相干伊辛機（CIM）。由于可以通過延長光纖諧振器的總長度來增加人工自旋的次數(shù)，因此與固態(tài)器件相比，它更容易大規(guī)模應(yīng)用。如圖1（c）所示，在CIM中，通過逐漸增加DOPO激光強度，可以從低溫側(cè)尋找解，當系統(tǒng)能量達到最優(yōu)解時，就可以找到正確答案。雖然對于DOPO的量子特性如何促進計算機的性能還有待研究，但在MaxCut問題的典型組合優(yōu)化問題中，已被證明其比經(jīng)典退火算法更快（2）。

通用量子計算機

大約20年前，量子計算機面臨的基本問題是如何實現(xiàn)量子比特。量子比特需要一個量子兩能級系統(tǒng)來實現(xiàn)“0”和“1”的疊加態(tài)，但研究了光量子比特與光通信的兼容性等各種方案發(fā)現(xiàn)，量子信息內(nèi)存時間長的原子和電子有希望，但很難集成；相反，半導(dǎo)體和超導(dǎo)量子比特內(nèi)存時間雖然短，但半導(dǎo)體集成技術(shù)卻可以適用，因為這兩者是固態(tài)元件。

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事實上，這場爭論仍在繼續(xù)，每種物理系統(tǒng)都利用其特性來運行發(fā)展。超導(dǎo)量子計算機已經(jīng)達到了50-70個量子比特、離子阱量子計算機有32個量子比特、量子點量子計算機實現(xiàn)了2-3量子比特。尤其在2019年，谷歌宣布了“量子霸權(quán)”，提出有53個量子比特的超導(dǎo)量子計算機超越了傳統(tǒng)的超級計算機，成為一大熱門話題（4）。

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雖然這些事件都標志著非常重要的里程碑，但是量子計算機擅長解決問題的結(jié)果，并不能證明量子計算機在處理所有問題上都表現(xiàn)優(yōu)越。如圖2所示，圖中顯示了超導(dǎo)量子比特的整個發(fā)展過程。1999年，超導(dǎo)量子比特首次運行時，內(nèi)存時間縮短至1ns，這是一個非常困難的實驗，但到2012年左右，它延長到100μs左右，提高了5個數(shù)量級。此后，內(nèi)存時間并沒有延長，但芯片上的量子比特數(shù)卻呈指數(shù)級增長。這可能是因為許多研究機構(gòu)的研究方向從延長內(nèi)存時間轉(zhuǎn)向了集成，同時實現(xiàn)了集成所需的最小內(nèi)存時間。因此，谷歌、IBM和英特爾現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出50量子位超導(dǎo)量子計算機芯片，直到表現(xiàn)出量子優(yōu)勢。

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目前，NTT實驗室繼續(xù)研究與當前超導(dǎo)量子芯片中集成的量子比特不同類型的超導(dǎo)量子比特。利用其特性，NTT實驗室從宏觀量子疊加態(tài)的驗證（5）等基礎(chǔ)物理研究，到局部高靈敏度磁場傳感器的應(yīng)用（6）進行了各種嘗試。

容錯量子計算機還在研發(fā)中

當你聽到已經(jīng)實現(xiàn)量子優(yōu)勢的消息時，可能會認為一臺實用的量子計算機很快就會實現(xiàn)。但事實是，它還有很長的路要走。目前，通用的量子計算機集成度約為50個量子比特。此外，噪聲會導(dǎo)致量子信息隨著時間的推移而丟失，門操作容易出錯，從而無法執(zhí)行涉及重復(fù)門操作的復(fù)雜計算。因此，在功能和規(guī)模上有這類限制的量子計算機稱為NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）設(shè)備。雖然NISQ設(shè)備也表現(xiàn)出量子優(yōu)勢，便于了解量子的潛力，但執(zhí)行大規(guī)模且復(fù)雜的實際量子計算，還是需要一臺容錯量子計算機。為此，通過準備多個量子比特（物理量子比特）來提供冗余，構(gòu)建了一個抗噪聲的糾錯量子比特（邏輯量子比特）。

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此外，還需要復(fù)雜的層結(jié)構(gòu)，例如控制物理量子比特的層級、控制邏輯量子比特的層級，以及執(zhí)行更高算法的層級。更具體地說，構(gòu)建一個邏輯量子比特不僅需要集成大量物理量子比特，還需要軟件開發(fā)。例如，在評估單個物理量子比特的特性后，需要一套程序來有效地校準控制系統(tǒng)。此外，設(shè)計用于糾錯的計算和反饋電路（即量子電路模擬器）是必需條件之一。

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正如開篇所提，據(jù)說一臺容錯量子計算機需要2000萬個物理量子比特。為此，量子比特集成和控制技術(shù)日新月異，但仍需突破。所以NTT實驗室正在考慮，提高NISQ設(shè)備的性能后將其與傳統(tǒng)計算機混合，并應(yīng)用于量子機器學(xué)習和量子化學(xué)計算。NTT實驗室正在根據(jù)計算和信息理論的知識進行研究，以最大限度地提高 NISQ 設(shè)備的功能。?

未來發(fā)展

20年前，人們進行了實現(xiàn)一個量子比特的研究，并說量子計算是一項領(lǐng)先100年的技術(shù)。10年前，人們開始研究如何實現(xiàn)2個量子比特門操作，以及如何增加量子比特的數(shù)量等相關(guān)課題，并有人認為量子計算機有可能在50年內(nèi)實現(xiàn)。今天，數(shù)十位量子計算機正在運行，并證明了量子優(yōu)勢。此外，具有數(shù)千位量子比特的伊辛機已經(jīng)實現(xiàn)部分商業(yè)化。在日本國家級項目中，也設(shè)定了30年內(nèi)實現(xiàn)容錯量子計算機的目標。因此，隨著加速推進對新原理計算機的研究，研究人員的數(shù)量不斷增加，研發(fā)基礎(chǔ)也在不斷擴大。

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然而，NTT實驗室確信還有很長的路要走。對于實驗研究人員來說，大規(guī)模的技術(shù)突破至關(guān)重要?？赡苄枰弋a(chǎn)工藝技術(shù)（如現(xiàn)代大規(guī)模集成電路）、集成技術(shù)（包括控制系統(tǒng)）或分布式量子計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。對于理論研究人員來說，諸如節(jié)省資源的量子糾錯碼和新的量子算法等技術(shù)的突破都是技術(shù)突破的重點，也許會誕生一位非凡的科學(xué)家提出一個全新的想法，可以立即解決問題。無論如何，這都是一個具有挑戰(zhàn)性的課題，NTT將繼續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的未來發(fā)展。

參考文獻

（1）?C. Gidney and M. Ekera: “How to factor 2048 bit RSA integers in 8 hours using 20 million noisy qubits，”arXiv:1905.09749，2019.

（2） 武居?稲垣?稲葉?本莊：“複雑な組合せ最適化問題を解く量子ニューラルネットワーク，”NTT技術(shù)ジャーナル，Vol. 29，No. 5, pp. 11-14，2017．

（3） 武居?稲垣?稲葉?本莊：“コヒーレントイジングマシンと量子アニーリングの性能比較実験，”NTT技術(shù)ジャーナル，Vol. 33，No. 3, pp. 18-22，2021．

（4） 角柳?松崎?樋田?山口?齊藤?Munro：“巨視的スケールでの実在性の破れを?qū)g証，”NTT技術(shù)ジャーナル，Vol. 29，No. 5, pp. 20-23，2017．

（5） Focus on the News：“超伝導(dǎo)量子ビットによる高感度?高空間分解能電子スピン共鳴に成功，”NTT技術(shù)ジャーナル，Vol. 31，No. 8, pp. 71-72，2019．

文：NTT 物性科學(xué)實驗室 齋藤志郎（さいとう　しろう）

/NTT 物性科學(xué)研究所所長 五島英樹（ごとう　ひでき）

編譯：慕一

編輯：王珩

注：本文編譯自“NTT官網(wǎng)?”，文章中的信息或所表述的觀點意見，均不代表量子前哨同意或支持。

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