目前，在半导体行业，有一条经验法则叫做摩尔定律，即集成电路上的晶体管数量每18个月翻一番。事实上，根据这一定律，半导体设备的生产工艺越来越精细，计算机性能也在逐年提高。与此同时，随着摩尔定律的逐步推进，晶体管的体积越来越小，原子尺寸也将达到极限。然而，在此之前，有一种说法是量子效应出现之前，还有一种说法"量子力学墙"，传统的电路定律无法解释这些物理现象。
在当前的信息处理计算过程中，可以取"0"和"1"计算两个值的比特，但量子比特作为量子计算机的基本元素可以实现"0"和"1"任何组合叠加。如果准备N个量子比特，2的N次可以表示一个状态的叠加。通过增加量子比特的数量，叠加状态的数量呈指数增长。大规模并行计算可以通过计算大量叠加态来实现，这是量子计算机加速的因素。
此外，量子计算机还利用量子比特的波特性，从大规模并行计算的结果中找出所需的解决方案，通过量子比特之间的相位干扰效应。近年来，冯与传统的基于顺序计算·诺伊曼计算机不同，基于新原理运行的非冯·诺伊曼计算机(如量子计算机)越来越受到人们的关注。
计算机的新原理大致可以分为两种类型：。
前者在基态下准备了大量的量子比特，如图1所示（a），同时计算重复图中显示的一个量子比特操作和两个量子比特操作，可以发现一种用于因数分解和大规模检索的量子算法，理论上可以证明其速度比经典算法快。但由于量子比特容易受到外部噪声的影响，往往容易出错，需要大量的量子比特来纠正量子错误。
比如估计2048位(1)需要2000万个量子比特来分解，用目前的技术制造这么多量子比特是非常困难的。如图1所示（b）因此，大量的量子比特在所有状态下叠加，即它们在高温下制备，并逐渐冷却以找到最低能量状态(正确答案)。在这一过程中，量子隧道效应可以从局部稳定点逃脱，因此比经典的退火算法更快地得到正确答案。
此外，它还具有抗外部噪声的特点，因为计算可以在缓慢改变稳定状态的同时进行，这种类型的计算机也被称为伊辛机。例如，在物理系统中实现优化问题时，它使用一个物理模型来表示自旋系统（即伊辛模型）。
(图片来源:NTT官网）
2011年，加拿大量子计算公司D-Wave Systems发布消息。D-Wave在使用超导量子比特的通用量子计算机研究中，发布了演示2个量子比特门操作，以及观察3个量子比特的纠缠态等实验结果，并宣布其所研制的128个量子比特的量子退火机（D-Wave One）它是世界上第一台商用量子计算机，也是用超导量子比特计算的伊辛机。与通用量子计算机中使用的铝量子比特相比，使用超导镍D-Wave One量子比特对量子信息的存储时间要短得多。尽管当时有研究人员怀疑量子特性是否真实，但在随后的演示实验中，证实量子特性确实加速了。
2013年，D-Wave Two量子比特512；2015年，D-Wave 2X有 1000 量子比特；2017年，D-Wave 2000有2048个量子比特；2020 年，D-Wave世界各地的公司都在利用其5000多个量子比特的量子优势D-Wave提供云服务，进而推动了量子退火机对商业用途的研发进程。但实际业务应用需要进一步扩大。然而，实际的业务应用程序需要进一步扩展。此外，由于超导量子比特是芯片上的固体元件，量子比特之间的耦合受到相邻量子比特之间的限制。因此，在量子退火机上实现优化需要比模拟问题更多的量子比特。
另一方面，在NTT实验室采用简单的光学参量振荡器（DOPO）机器将实现大量的人工自旋DOPO脉冲限制在光纤谐振器中，实现自旋完全耦合，开发相关伊辛机（CIM）。与固态器件相比，它更容易大规模使用，因为它可以通过延长光纤谐振器的总长度来增加人工自旋的次数。如图1（c）所示，在CIM通过逐渐增加DOPO从低温侧可以找到激光强度，当系统能量达到最佳解时，可以找到正确的答案。虽然对于DOPO如何提升计算机的量子特性还有待研究，但在MaxCut典型的组合优化问题已被证明比经典的退火算法快(2)。
量子比特需要一个量子两能级系统来实现“0”和“1”的叠加态，但研究了光量子比特与光通信的兼容性等各种方案发现，量子信息内存时间长的原子和电子有希望，但很难集成；相反，半导体和超导量子比特内存时间虽然短，但半导体集成技术却可以适用，因为这两者是固态元件。
事实上，这场争论仍在继续，每个物理系统都利用它的特进行发展。超导量子计算机已达到50-70个量子比特，离子陷阱量子计算机已达到32个量子比特，量子点量子计算机已达到2-3个量子比特。特别是在2019年，谷歌宣布了量子霸权，建议超导量子计算机超越传统超级计算机，成为一个热门话题（4）。
图2显示了超导量子比特的整个发展过程。1999年，当超导量子比特首次运行时，内存时间缩短至1ns，这是一个非常困难的实验，但到2012年左右，它将延长到100μs数量级增加了5个左右。此后，内存时间没有延长，但芯片上的量子比特数呈指数级增长。这可能是因为许多研究机构的研究方向已经从延长内存时间转变为集成，实现了集成所需的最小内存时间。因此，谷歌，IBM在展示量子优势之前，和英特尔已经开发了50量子位超导量子计算机芯片。
目前，NTT实验室继续研究不同类型的超导量子比特，集成在当前的超导量子芯片中。利用其特性，NTT从宏观量子叠加态验证(5)等基础物理研究，到局部高灵敏度磁场传感器(6)的应用，实验室进行了各种尝试。
(图片来源:NTT官网）
目前，通用的量子计算机集成度约为50个量子比特。此外，随着时间的推移，噪声会导致量子信息丢失，门操作容易出错，无法执行涉及重复门操作的复杂计算。因此，在功能和规模上有这种限制的量子计算机被称为NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）设备。虽然NISQ该设备还显示了量子优势，便于理解量子的潜力，但实施大规模、复杂的实际量子计算仍需容错量子计算机。为此，通过准备多个量子比特(物理量子比特)来提供冗余，构建了抗噪声纠错量子比特(逻辑量子比特)。
此外，还需要复杂的层结构，如控制物理量子比特、控制逻辑量子比特和执行更高算法。更具体地说，构建逻辑量子比特不仅需要大量的物理量子比特，还需要软件开发。例如，在评估单个物理量子比特的特性后，需要一套程序来有效地校准控制系统。此外，设计用于纠错的计算和反馈电路(即量子电路模拟器)是必要条件之一。
据说一台容错量子计算机需要2000万个物理量子比特。因此，量子比特集成和控制技术日新月异，但仍需突破。所以NTT实验室正在考虑改进NISQ将其与传统计算机混合，并应用于量子机学习和量子化学计算。NTT实验室正在最大限度地提高计算和信息理论的知识 NISQ 设备的功能。
20年前，人们对量子比特进行了研究，称量子计算是一项领先100年的技术。十年前，人们开始研究如何实现两个量子比特的特殊操作，以及如何增加量子比特的数量，有些人认为量子计算机可能在50年内实现。如今，数十位量子计算机正在运行，并证明了量子的优势。此外，数千位量子比特的伊辛机已经实现了部分商业化。因此，随着新原理计算机研究的加快，研究人员数量不断增加，研究人员数量不断增加基础也在不断扩大。
然而，NTT实验室确信还有很长的路要走。对于实验研究人员来说，大规模的技术突破至关重要。可能需要高产工艺技术（如现代大规模集成电路）、集成技术（包括控制系统）或分布式量子计算网络技术。对于理论研究人员来说，诸如节省资源的量子纠错码和新的量子算法等技术的突破都是技术突破的重点，也许会诞生一位非凡的科学家提出一个全新的想法，可以立即解决问题。无论如何，这都是一个具有挑战性的课题，NTT将继续关注该领域的未来发展。
（图片来源：NTT官网）
（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・本庄：“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技術ジャーナル，Vol. 29，No. 5, pp. 11-14，2017．
（3） 武居・稲垣・稲葉・本庄：“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実証，”NTT技術ジャーナル，Vol. 29，No. 5, pp. 20-23，2017．
（5） Focus on the News：“超伝導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技術ジャーナル，Vol. 31，No. 8, pp. 71-72，2019．
文：NTT 物性科学实验室 斋藤志郎（さいとう しろう）
/NTT 物性科学研究所所长 五岛英树（ごとう ひでき）
编译：慕一
编辑：王珩
注：本文编译自“NTT官网 ”，文章中的信息或所表述的观点意见，均不代表量子前哨同意或支持。
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