近日，中科大潘建伟团队研制的 “九章二号” 量子计算机原型成功问世。“九章二号” 高斯玻色取样任务快速求解速度再次刷新了国际光量子操纵的技术水平。

图｜“九章二号” 整体装置图（来源：中国科学院官网）

不得不说，量子计算的发展速度非常惊人。2017 年，超导量子比特的个数刚刚达到 10 个，操控水平也很有限。时至今日，业内已经可以制备和操控超过 60 个超导量子比特了。

据悉，中国科学院物理研究所范桁团队一直聚焦于“量子计算和量子模拟理论与实验”研究，主要关注各种量子现象并利用量子计算方法的模拟、各种量子算法的实现、量子逻辑门的物理实现和量子纠错码的实现等。

图｜范桁（来源：中国科学院物理研究所官网）

最近，该团队首次在超导电路中实现了布洛赫波（Bloch）震荡，相关论文以《Observation of Bloch oscillations and Wannier-Stark localization on a superconducting quantum processor》（超导量子处理器上的布洛赫振荡和瓦尼尔-斯塔克定位观察）为题发表在 npj Quantum Information 上，由中国科学院物理所研究员范桁担任通讯作者[1]。

图｜相关论文（来源：npj Quantum Information）

电子的 Bloch 震荡早在一个世纪之前，由著名物理学家 布洛赫 （Bloch）和齐纳（Zener）提出。由于传统固体材料的弛豫时间很短，该现象一直没有被实验观测到。

直到 20 世纪 90 年代，半导体超晶格的出现，物理学家才在该系统中首次观测到 Bloch 震荡。但是，半导体超晶格材料的弛豫时间也不足够长，因此不太方便用来进一步研究 Bloch 震荡。

近年来，随着人工量子多体系统的出现，例如冷原子气体、光晶格、离子井和超导电路等，Bloch 震荡又开始被关注。这些人工量子系统的相干（弛豫）时间相当长，非常适合用来研究Bloch震荡。同时，Bloch震荡也能用于探测重力、研究能带等物理问题研究。

目前，该团队也首次在超导电路中实现了 Bloch 震荡，他们使用 5 量子比特（qubit）可编程超导处理器实验，模拟了布洛赫振荡（Bloch oscillation，BO）和瓦尼尔-斯塔克局域化（Wannier-Stark localization，WSL），通过精确调控每个超导量子比特，可以在一条自旋链上施加一个线性势场，并观测到自旋和能量输运均被抑制的现象。

量子计算和量子模拟有望解决量子计算、生物制药等领域难题

目前，量子计算和量子模拟实验还停留在有噪声的中等规模量子（noisy intermediate-scale quantum，NISQ）系统阶段。

在这个阶段，量子比特数还不够多，操控精度也不足够高，并且没有量子纠错。所以，现在的量子计算和量子模拟研究还处于验证性阶段，主要以模拟 “已知的物理系统” 和验证 “量子优越性” 研究为主。

图｜量子计算机（来源：Pixabay）

目前，学术界对量子计算的应用研究主要包括：

一、实现一些量子算法。例如 Shor 算法，从而破解公开密钥密码（RSA），对该团队现在所应用的密码系统将是一个重大的革新。其他方面，如 Grove 搜索算符和 HHL 解线性方程算法，可以极大地加速求解；

二、模拟大分子系统。从而服务于生物制药、材料科学等领域；

三、模拟一些复杂的量子多体系统。解决强关联系统的一些物理难题，例如高温超导的机理。

一旦 “量子计算和量子模拟” 方向获得突破性的进展，就可以解决多领域应用层方面的问题

利用量子优势，解决经典计算无法完成的实际难题

虽然经过近几年的科研实践，“量子计算和量子模拟” 方向取得了显著的成绩，但是该领域仍然有诸多问题亟待解决。

在硬件层面，在工艺角度，如何设计和制备高质量的大规模集成量子芯片是当下要考虑的问题。通常情况，量子系统的扩展性和噪声水平是两个相互竞争的关系，如果一个量子系统的噪声水平较低，则不易与外界耦合，因此扩展性较差，反之亦然。

譬如，金刚石色心的噪声水平很低，其相干时间甚至可以达到秒级，但是其扩展性很差，基本无法实现大规模集成；而超导电路的扩展性很好，但是退相干时间远远小于金刚石色心。

因此，科学家需要在这两个问题上做一些 “博弈”。值得注意的是，目前超导电路可以认为是在这场“博弈”中最成功的平台之一，但是离真正的通用量子计算机还有一定的距离，这也是量子计算的一个极大的原理上的挑战。

除了量子芯片设计和制备上的工艺外，量子系统的操控也面临较大的阻力。要想实现低错误率的量子计算机，必须要保证操控的精度。然而，目前的操控技术的误差还远远不够。

以超导的 “串扰” 为例：超导量子比特通过微波信号来进行操控，在操控过程中，当科学家用微波控制某个特定比特时，其微波信号也会同时泄露到其他量子比特上，从而导致一些操控错误 。

当然，除了串扰问题，还有很多其他操控错误以及读取的错误。对于大规模集成的超导量子比特系统，这些操控和读取错误的存在使得高精度操控异常困难。

在软件层面，不论处于量子计算发展的哪个阶段，都需要找相对应的合适算法，将这些系统应用起来。

未来，该团队主要在更大规模、更高精度的超导量子电路方向进行继续探索。同时，在软件方面，将聚焦于如何展示和利用量子优势使量子模拟逐渐打败经典计算，最终解决某些行业中存在的实际问题。

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