實(shí)用量子信息處理的前景丨展卷

再論實(shí)用量子信息處理的前景

撰文丨尹璋琦（北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授）

2000年，Michael A．Nielsen（時(shí)任加拿大圓周理論物理研究所的高級(jí)研究員）和Isaac L．Chuang（美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理系和電氣工程系教授）在撰寫(xiě)如今早已成經(jīng)典教材的《量子計(jì)算與量子信息》時(shí)，于第一章花了一小節(jié)的篇幅深入評(píng)述了“實(shí)用化量子信息處理的前景”（見(jiàn)下文）。2003年，我開(kāi)始念研究生不久，就讀了這本書(shū)。當(dāng)時(shí)我仔細(xì)讀了前三章，并把量子信息處理的物理實(shí)現(xiàn)作為自己的主要研究方向。近20年后，我參與翻譯了此書(shū)，又重新讀了這些論述，不得不感慨他們的眼光確實(shí)是一流的：雖然有些觀點(diǎn)稍微過(guò)時(shí)，但過(guò)去20多年量子信息處理的實(shí)用化進(jìn)程，大體上與他們的預(yù)測(cè)是吻合的。

本書(shū)是量子信息領(lǐng)域及物理領(lǐng)域被引用次數(shù)最高的圖書(shū)之一，全球許多高校都使用該書(shū)作為量子計(jì)算課程的教材，適合對(duì)量子計(jì)算和量子信息感興趣的學(xué)習(xí)者閱讀。

在2000年時(shí)，量子信息處理理論上最大的瓶頸——噪聲問(wèn)題剛被解決，人們創(chuàng)立了量子糾錯(cuò)碼，以及容錯(cuò)量子計(jì)算的閾值定理。所以Nielsen & Chuang在一開(kāi)始就強(qiáng)調(diào)這個(gè)理論的重要性：如果我們能夠把量子計(jì)算的噪聲水平降低到某個(gè)“閾值”之下，就可以通過(guò)量子糾錯(cuò)來(lái)進(jìn)一步降低錯(cuò)誤率，實(shí)現(xiàn)可靠的量子計(jì)算機(jī)。量子信息處理技術(shù)發(fā)展的核心目標(biāo)就是降低錯(cuò)誤率，直到超過(guò)閾值，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算和量子信息處理。

過(guò)去20多年，容錯(cuò)量子計(jì)算取得了重大進(jìn)展，不論是理論還是實(shí)驗(yàn)。在2000年時(shí)，基于穩(wěn)定子編碼，容錯(cuò)量子計(jì)算錯(cuò)誤閾值通常被認(rèn)為在萬(wàn)分之一量級(jí)。到2010年前后，人們基于拓?fù)淅碚撎岢隽吮砻娲a，閾值為1%左右，提升兩個(gè)量級(jí)。隨著容錯(cuò)閾值的急劇提升，量子計(jì)算的實(shí)用化前景一下子就被打開(kāi)了，獲得了工業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注。當(dāng)然這也需要付出一定代價(jià)，利用表面碼糾錯(cuò)時(shí)，需要消耗更多物理資源，大概1000個(gè)物理量子比特，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)容錯(cuò)的邏輯量子比特。據(jù)估算，要實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算，且可糾錯(cuò)的實(shí)用量子計(jì)算機(jī)，大概需要1000個(gè)邏輯量子比特，那么所需的物理量子比特就是百萬(wàn)個(gè)。這在工程上是巨大的挑戰(zhàn)！近年來(lái)，為了讓糾錯(cuò)理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)更好的匹配，人們也提出了很多新的想法，比如量子錯(cuò)誤緩解等。

另一方面，人們對(duì)量子系統(tǒng)的控制技術(shù)也取得重大進(jìn)展。在Nielsen&Chuang撰寫(xiě)本書(shū)時(shí)，最有前途的量子信息處理系統(tǒng)分別為單光子、離子阱和核磁共振系統(tǒng)。近年來(lái)，光量子信息處理發(fā)展迅速，量子密碼技術(shù)逐步走向成熟和實(shí)用化。基于量子隱形傳態(tài)的量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也蓬勃發(fā)展。此外，基于光子的量子計(jì)算技術(shù)也取得長(zhǎng)足進(jìn)步。2020年，中科大的研究組基于光子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，集成光學(xué)與光量子計(jì)算結(jié)合，也讓人們對(duì)大規(guī)模、可編程的光量子計(jì)算前景充滿信心。

在2010年后，基于超導(dǎo)電路量子比特的量子計(jì)算異軍突起，已經(jīng)與離子阱量子計(jì)算和光量子計(jì)算一起成為目前最有前途的量子計(jì)算候選系統(tǒng)?；诔瑢?dǎo)電路和離子阱的量子計(jì)算機(jī)，其量子邏輯門(mén)的錯(cuò)誤率都已降低到1%以下，達(dá)到了表面碼的容錯(cuò)量子計(jì)算閾值。不僅如此，基于這兩個(gè)物理系統(tǒng)量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)目也在快速增長(zhǎng)，目前都逼近100個(gè)?；诔瑢?dǎo)電路的量子計(jì)算，也已經(jīng)于2019年實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)。正是在此基礎(chǔ)上，許多大公司如谷歌、IBM等才信心滿滿的認(rèn)為，人們可以在2025年前后首次演示容錯(cuò)量子邏輯門(mén)，并到2030年之后實(shí)現(xiàn)實(shí)用的容錯(cuò)量子計(jì)算。目前，從工業(yè)界到學(xué)術(shù)界，人們都在研究如何把實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性的中尺度含噪聲量子計(jì)算機(jī)用于處理真正有價(jià)值的問(wèn)題，發(fā)揮它獨(dú)特的作用。

此外，基于硅基半導(dǎo)體量子點(diǎn)的量子計(jì)算，雖然量子比特?cái)?shù)暫時(shí)還不多，但是量子邏輯門(mén)錯(cuò)誤率最近也降低到容錯(cuò)閾值1%以下。在硅基計(jì)算芯片領(lǐng)域具有壟斷地位的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)公司如因特爾，對(duì)硅基量子點(diǎn)技術(shù)情有獨(dú)鐘。如果此技術(shù)路徑能充分利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體微加工技術(shù)積累，未來(lái)前景可期。

最后，隨著技術(shù)發(fā)展，人們逐步確認(rèn)核磁共振系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子信息處理，量子比特?cái)?shù)目很難超過(guò)10個(gè)。但是此技術(shù)控制精度高，成本相對(duì)較低，且在常溫常壓下就可以工作，因而成為小尺度系統(tǒng)量子模擬的利器，并在量子信息技術(shù)的教學(xué)中大放光彩。

本文作者尹璋琦為該書(shū)譯者之一，其他幾位譯者是孫曉明、尚云、李綠周、魏朝暉、田國(guó)敬。

實(shí)用量子信息處理的前景

撰文 | Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang

建立量子信息處理設(shè)備對(duì)第三個(gè)千年的科學(xué)家和工程師來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。我們能夠迎接挑戰(zhàn)嗎？有可能實(shí)現(xiàn)嗎？值得嘗試嗎？如果值得，這項(xiàng)壯舉將如何實(shí)現(xiàn)？這些是困難而重要的問(wèn)題，我們將在本節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)要回答，并在全書(shū)進(jìn)行延展。

最基本的問(wèn)題是，是否存在某種原理禁止我們進(jìn)行一種或多種形式的量子信息處理？可能的障礙有兩個(gè)：噪聲可能對(duì)有用的量子信息處理構(gòu)成根本性障礙；或者量子力學(xué)可能是不正確的。

毫無(wú)疑問(wèn)，噪聲是實(shí)用量子信息處理設(shè)備發(fā)展的重大障礙。這是一個(gè)根本上無(wú)法解決的障礙嗎？會(huì)永遠(yuǎn)阻礙大規(guī)模量子信息處理設(shè)備的發(fā)展嗎？量子糾錯(cuò)碼的理論有力地表明，雖然量子噪聲是一個(gè)需要解決的實(shí)際問(wèn)題，但不存在根本性的原理問(wèn)題。特別是存在一個(gè)量子計(jì)算的閾值定理，粗略地說(shuō)，該定理表明，如果量子計(jì)算機(jī)中的噪聲水平可以降低到某個(gè)常數(shù)“閾值”以下，那么就可以使用量子糾錯(cuò)碼來(lái)進(jìn)一步地降低噪聲，只需要很小的計(jì)算復(fù)雜性的開(kāi)銷，基本上可以降低到任意小。閾值定理對(duì)量子計(jì)算機(jī)中出現(xiàn)的噪聲的性質(zhì)和大小，以及可用于執(zhí)行量子計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)做了一些廣泛的假設(shè)；但是，如果這些假設(shè)被滿足，那么對(duì)于量子信息處理噪聲的影響基本上可以忽略不計(jì)。第8章、第10章和第12章將詳細(xì)討論量子噪聲、量子糾錯(cuò)和閾值定理。

妨礙量子信息處理的第二種可能性是量子力學(xué)是不正確的。實(shí)際上，探究量子力學(xué)（相對(duì)論性和非相對(duì)論性）的有效性是對(duì)構(gòu)建量子信息處理設(shè)備感興趣的其中一個(gè)原因。我們以前從未探索過(guò)在大規(guī)模量子系統(tǒng)中獲得完全控制的自然體系，也許在這些體系中大自然可能會(huì)揭示出一些新的驚喜，而量子力學(xué)并沒(méi)有對(duì)此做出充分的解釋。如果發(fā)生這種情況，它將成為科學(xué)史上的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，并且有望像量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)一樣在其他學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響。這樣的發(fā)現(xiàn)也可能影響量子計(jì)算和量子信息；然而，無(wú)論這種影響是否會(huì)增強(qiáng)、減弱或不影響量子信息處理的能力，現(xiàn)在都無(wú)法提前預(yù)測(cè)。除非發(fā)現(xiàn)了這些影響，否則我們無(wú)法知道它們將如何影響信息處理，因此在本書(shū)的其余部分我們會(huì)考慮迄今為止的所有證據(jù)，并假設(shè)量子力學(xué)是對(duì)世界正確和完備的描述。

既然構(gòu)建量子信息處理設(shè)備沒(méi)有根本性的障礙，為什么我們要投入大量的時(shí)間和金錢(qián)這樣做？我們已經(jīng)討論過(guò)幾個(gè)要這樣做的原因：實(shí)際應(yīng)用，如量子密碼學(xué)和大型合數(shù)的素因子分解；以及渴望獲得對(duì)自然和信息處理的基本見(jiàn)解。

這些都是很好的理由，并且證明了在建立量子信息處理設(shè)備方面投入大量時(shí)間和金錢(qián)的合理性。但是平心而論，為了評(píng)估它們的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)，需要更清楚地了解量子和經(jīng)典信息處理的相對(duì)能力。要想做到這一點(diǎn)，需要在關(guān)于量子計(jì)算和量子信息基礎(chǔ)方面進(jìn)一步的理論工作。尤其令人感興趣的是對(duì)“量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大嗎？”這一問(wèn)題的決定性答案。即使我們暫時(shí)無(wú)法回答這個(gè)問(wèn)題，但在不同的復(fù)雜度情況下給出一個(gè)明確的有趣應(yīng)用路徑以幫助研究人員實(shí)驗(yàn)性地實(shí)現(xiàn)量子信息處理，將會(huì)是很有用的。從歷史上來(lái)看，技術(shù)的進(jìn)步往往是通過(guò)使用短期和中期激勵(lì)作為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期目標(biāo)的墊腳石來(lái)加速的。比如微處理器，在最終成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的基本組件（之前沒(méi)人知道這是什么）之前，最初用作電梯和其他簡(jiǎn)單設(shè)備的控制器。下面我們?yōu)橛信d趣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子信息處理的長(zhǎng)期目標(biāo)的人們勾畫(huà)一條中短期目標(biāo)路徑。

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令人驚訝的是，許多量子計(jì)算和量子信息的小規(guī)模應(yīng)用是已知的。并非所有的都像量子素因子分解算法一樣華麗，但實(shí)施小規(guī)模應(yīng)用程序相對(duì)容易，使其作為中期目標(biāo)非常重要。

量子態(tài)層析和量子過(guò)程層析成像是兩個(gè)基本過(guò)程，其完善性對(duì)于量子計(jì)算和量子信息非常重要，并且它們自身也有獨(dú)立的價(jià)值。量子態(tài)層析是確定系統(tǒng)的量子狀態(tài)的方法。要做到這一點(diǎn)，它必須克服量子態(tài)的“隱藏”性質(zhì)——記住，量子狀態(tài)不能通過(guò)一次測(cè)量直接確定——通過(guò)重復(fù)制備同一個(gè)量子態(tài)，然后以不同的方式測(cè)量，以建立量子態(tài)的完整描述。量子過(guò)程層析成像是一個(gè)更加雄心勃勃的（但是密切相關(guān)的）過(guò)程，旨在完全表征量子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)學(xué)。例如，量子過(guò)程層析成像可用于表征所謂的量子門(mén)或量子通信信道的性能，或用于確定系統(tǒng)中不同噪聲過(guò)程的類型和大小。除了在量子計(jì)算和量子信息中的明顯應(yīng)用，作為一種診斷工具，對(duì)于量子效應(yīng)重要的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，量子過(guò)程層析成像可以預(yù)期協(xié)助評(píng)估和改進(jìn)任何其中的基本操作。量子態(tài)層析和量子過(guò)程層析成像在第8章中有更詳細(xì)的描述。

各種小規(guī)模通信原語(yǔ)也是非常令人感興趣的。我們已經(jīng)提到了量子加密和量子隱形傳態(tài)。前者可能在實(shí)際應(yīng)用中很有用，它涉及分發(fā)少量需要高度安全的關(guān)鍵材料。量子隱形傳態(tài)的用途也許還有待解決。我們將在第12章中看到，在存在噪聲的情況下，遠(yuǎn)距傳送對(duì)于在網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)之間傳輸量子狀態(tài)可能是非常有用的原語(yǔ)。其想法是集中精力在希望通信的節(jié)點(diǎn)之間分配EPR對(duì)。通信期間EPR對(duì)可能會(huì)被損壞，但是，特殊的“糾纏蒸餾”協(xié)議可用于“純化”EPR對(duì)，使其能夠用于將量子態(tài)從一個(gè)位置傳送到另一個(gè)位置。事實(shí)上，基于糾纏蒸餾和遠(yuǎn)距傳送的協(xié)議在實(shí)現(xiàn)量子比特的無(wú)噪聲通信方面優(yōu)于更常規(guī)的量子糾錯(cuò)技術(shù)。

中等規(guī)模能怎么樣？一個(gè)有前景的中等規(guī)模量子信息處理應(yīng)用是量子系統(tǒng)的模擬。

為了模擬包含甚至只有幾十個(gè)“量子比特”的量子系統(tǒng)（或者等價(jià)的一些其他基本系統(tǒng)），即使使用最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)的資源也不夠用。一些簡(jiǎn)單的計(jì)算給出了指導(dǎo)性的解釋。假設(shè)我們有一個(gè)包含50個(gè)量子比特的系統(tǒng)，要描述這種系統(tǒng)的狀態(tài)需要2^50≈10^15個(gè)復(fù)數(shù)振幅。如果振幅存儲(chǔ)到128位精度，那么它需要256位或32字節(jié)以存儲(chǔ)每個(gè)振幅，總共32×10^15字節(jié)的信息，或者說(shuō)大約 32000T 字節(jié)的信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的容量，并且，如果假設(shè)摩爾定律一直成立，那么相當(dāng)于預(yù)期在21世紀(jì)的第二個(gè)十年出現(xiàn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量。在相同精度水平下的90個(gè)量子比特需要32×10^27個(gè)字節(jié)，即使使用單個(gè)原子來(lái)表示一位，也需要數(shù)千克（或更多）的物質(zhì)。

量子模擬有多大用處？似乎傳統(tǒng)方法仍然可用于確定材料的基本性質(zhì)，例如粘合強(qiáng)度和基本光譜性質(zhì)。然而，一旦基本屬性得到很好的理解，量子模擬作為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和測(cè)試新分子性質(zhì)的工具很有可能會(huì)非常有用。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中，可能需要許多不同類型的“硬件”——化學(xué)品、檢測(cè)設(shè)備等——來(lái)測(cè)試分子的各種可能的設(shè)計(jì)。在量子計(jì)算機(jī)上，這些不同類型的硬件都可以用軟件模擬，這可能更便宜，而且速度更快。當(dāng)然，最終的設(shè)計(jì)和測(cè)試必須在真實(shí)的物理系統(tǒng)上進(jìn)行；然而，量子計(jì)算機(jī)能探索更大范圍的潛在設(shè)計(jì)，并且評(píng)估得到更好的最終設(shè)計(jì)方案。值得注意的是，這種狹義第一性原理（ab initio）計(jì)算來(lái)協(xié)助設(shè)計(jì)新分子的方法在經(jīng)典電腦上嘗試過(guò)；然而，由于在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子力學(xué)所需的巨大計(jì)算資源，只取得了有限的成功。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該能夠在不久的將來(lái)做得更好。

大規(guī)模的應(yīng)用有哪些？除了擴(kuò)展量子模擬和量子密碼學(xué)等應(yīng)用，眾所周知的大規(guī)模應(yīng)用相對(duì)較少：大整數(shù)素因子分解，計(jì)算離散對(duì)數(shù)和量子搜索。對(duì)前兩個(gè)問(wèn)題的興趣主要來(lái)自它們對(duì)限制現(xiàn)有公鑰密碼系統(tǒng)生命力的負(fù)面影響。（對(duì)于那些對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題感興趣的數(shù)學(xué)家，僅僅出于他們自身的興趣，它們也可能具有實(shí)質(zhì)性的實(shí)際意義。）因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，分解素因子和離散對(duì)數(shù)似乎不太可能一直是重要的應(yīng)用。由于啟發(fā)式搜索的廣泛應(yīng)用，量子搜索可能具有巨大的用途，我們將在第6章討論一些可能的應(yīng)用。真正非凡的可能是量子信息處理的更多大規(guī)模應(yīng)用。這是未來(lái)的偉大目標(biāo)！

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假設(shè)有量子信息處理的潛在應(yīng)用途徑，如何在真實(shí)物理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)？在幾個(gè)量子比特的小規(guī)模上已經(jīng)有幾個(gè)關(guān)于量子信息處理設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方案。也許最容易實(shí)現(xiàn)的是基于光學(xué)技術(shù)，即電磁輻射。像反射鏡和分光鏡這樣的簡(jiǎn)單設(shè)備可用于對(duì)光子進(jìn)行基本操作。有趣的是，一個(gè)主要的困難是按需要產(chǎn)生單光子；實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家改而選擇使用一種“時(shí)不時(shí)地”能隨機(jī)生成單光子的方案，并等待此事件的發(fā)生。使用這種光學(xué)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子密碼技術(shù)、超密編碼和量子隱形傳態(tài)。光學(xué)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是光子往往是量子力學(xué)信息高度穩(wěn)定的載體。其主要缺點(diǎn)是光子不直接相互作用。作為替代，相互作用必須由其他介質(zhì)調(diào)節(jié)，例如原子，它會(huì)為實(shí)驗(yàn)引入額外的噪聲和復(fù)雜性。建立兩個(gè)光子之間的有效相互作用，本質(zhì)上分兩步工作：第一個(gè)光子與原子相互作用，而原子又與第二個(gè)光子相互作用，從而導(dǎo)致兩個(gè)光子之間的整體相互作用。

另一種方案是基于囚禁不同類型原子的方法：包括離子阱，其中少量帶電原子被囚禁在受限空間中；以及中性原子阱，用于在受限空間中囚禁不帶電荷的原子?；谠于宓牧孔有畔⑻幚矸桨甘褂迷觼?lái)存儲(chǔ)量子比特。電磁輻射也出現(xiàn)在這些方案中，但其方式與我們稱為量子信息處理的“光學(xué)”方法的方式完全不同。在這些方案中，光子用于操縱存儲(chǔ)在原子本身中的信息，而不是作為存儲(chǔ)信息的載體。單量子比特門(mén)可以通過(guò)在個(gè)別原子上施加適當(dāng)?shù)碾姶泡椛涿}沖來(lái)執(zhí)行。相鄰原子可以通過(guò)（例如）偶極子力相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子門(mén)。此外，相鄰原子間相互作用的確切性質(zhì)可以通過(guò)向原子施加適當(dāng)?shù)碾姶泡椛涿}沖來(lái)修改，使實(shí)驗(yàn)者能控制在系統(tǒng)中執(zhí)行哪種門(mén)。最后，量子測(cè)量可以通過(guò)在這些系統(tǒng)使用已經(jīng)成熟的量子跳躍技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)能以極高的精度實(shí)現(xiàn)計(jì)算基下的測(cè)量。

另一類量子信息處理方案基于核磁共振，通常以其首字母縮寫(xiě)NMR為人熟知。這些方案將量子信息存儲(chǔ)在分子中原子的核自旋中，并使用電磁輻射操縱該信息。這樣的方案帶來(lái)了特殊的困難，因?yàn)樵贜MR中不可能直接操作單個(gè)核。相反，大量（通常約10^15個(gè)）本質(zhì)上相同的分子存儲(chǔ)在溶液中。將電磁脈沖施加到樣品上，使得每個(gè)分子以大致相同的方式響應(yīng)。您應(yīng)該將每個(gè)分子視為一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，而將樣本視為包含大量（經(jīng)典地）并行計(jì)算機(jī)。核磁共振量子信息處理面臨著三個(gè)特殊的困難，這些困難使它與其他量子信息處理方案十分不同。首先，這些分子通常通過(guò)使它們?cè)谑覝叵缕胶鈦?lái)制備，這比典型的自旋翻轉(zhuǎn)能量高得多，使得自旋幾乎完全隨機(jī)取向。這一事實(shí)使得初始狀態(tài)比量子信息處理所需的更“嘈雜”。如何克服這種噪聲是我們?cè)诘?章中要講述的一個(gè)有趣的故事。第二個(gè)問(wèn)題是，可以在核磁共振中執(zhí)行的測(cè)量類別遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于我們希望在量子信息處理中使用的一般測(cè)量。不過(guò)，對(duì)于許多量子信息處理實(shí)例，NMR中允許的測(cè)量類別已經(jīng)足夠。第三，因?yàn)榉肿硬荒茉贜MR中單獨(dú)處理，您可能會(huì)問(wèn)，如何以適當(dāng)?shù)姆绞讲倏v各個(gè)量子比特。幸運(yùn)的是，分子中的不同核可以具有不同的性質(zhì)，使它們能夠被單獨(dú)處理——或者至少以足夠細(xì)粒度的尺度進(jìn)行處理，以允許量子計(jì)算所需要的操作。

執(zhí)行大規(guī)模量子信息處理所需的許多要素都可以在現(xiàn)有方案中找到：精湛的狀態(tài)準(zhǔn)備和量子測(cè)量可以在離子阱中的少量量子比特上實(shí)現(xiàn)；極好的動(dòng)態(tài)演化可以用NMR在小分子中進(jìn)行；固態(tài)系統(tǒng)中的制造技術(shù)可以使設(shè)計(jì)得以大規(guī)模擴(kuò)展。具有所有這些要素的單個(gè)系統(tǒng)將是通向夢(mèng)想量子計(jì)算機(jī)的一條漫漫長(zhǎng)路。不幸的是，這些系統(tǒng)都非常不同，我們距離擁有大型量子計(jì)算機(jī)還有很多很多年。但是，我們相信在現(xiàn)有（盡管有所不同）系統(tǒng)中所有這些屬性的存在，對(duì)于大規(guī)模量子信息處理器的存在是個(gè)好兆頭。此外，它表明推動(dòng)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)中兩個(gè)或更多好的特點(diǎn)的混合設(shè)計(jì)可能會(huì)有優(yōu)勢(shì)。例如，在電磁腔內(nèi)囚禁原子方面已經(jīng)做了很多工作，這使得能夠通過(guò)光學(xué)技術(shù)靈活地在腔內(nèi)部操縱原子，并且可以以常規(guī)原子陷阱中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式對(duì)單原子進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制。

最后，請(qǐng)注意不要將量子信息處理看作僅僅是另一種信息處理技術(shù)。例如，很容易將量子計(jì)算視為計(jì)算機(jī)發(fā)展中的另一種技術(shù)潮流，就像其他技術(shù)潮流一樣將隨著時(shí)間而消逝。例如，“泡沫內(nèi)存”在20世紀(jì)80年代早期被廣泛宣傳為存儲(chǔ)的下一代技術(shù)。這是一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)榱孔佑?jì)算是信息處理的一個(gè)抽象范式，可能在技術(shù)上有許多不同的實(shí)現(xiàn)。人們可以比較量子計(jì)算的兩個(gè)不同方案的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)——將“好”的方案與“壞”的方案進(jìn)行比較是有意義的——無(wú)論如何，即使量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)非常糟糕的方案，它與精湛設(shè)計(jì)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)也具有定性的本質(zhì)不同。

本文經(jīng)出版社授權(quán)選自《量子計(jì)算與量子信息》（10周年版，2022年2月，電子工業(yè)出版社）第1章，文中小節(jié)序號(hào)為“返樸”所加。

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