三、把量子计算机从“垃圾桶”捡回来的量子编码与容错编码
实现量子计算机最困难的地方在于，这种宏观量子系统是非常脆弱的，周围的环境都会破坏量子相干性（消相干），一旦量子特性被破坏将导致量子计算机并行运算能力基础消失，变成经典的串行运算。
所以，早期许多科学家认为量子计算机只是纸上谈兵，不可能制造出来。直到后来，科学家发明了量子编码。
量子编码的发现等于把量子计算机从“垃圾桶”里又捡回来了。
采用起码5个量子比特编码成1个逻辑比特，可以纠正消相干引起的所有错误。
不仅如此，为了避免在操作中的错误，使其能够及时纠错，科学家又研究容错编码，在所有量子操作都可能出错的情况下，它仍然能够将整个系统纠回理想的状态。这是非常关键的。
什么条件下能容错呢？这里有个容错阈值定理。每次操作，出错率要低于某个阈值，如果大于这个阈值，则无法容错。
这个阈值具体是多大呢？
这与计算机结构有关，考虑到量子计算的实际构型问题，在一维或准一维的构型中，容错的阈值为10^-5，在二维情况（采用表面码来编码比特）中，阈值为10^-2。
目前，英国Lucas团队的离子阱模型、美国Martinis团队的超导模型在单、双比特下操作精度已达到这个阈值。
所以我们的目标就是研制大规模具有容错能力的通用量子计算机。
四、量子计算机的“量子芯”
量子芯片的研究已经从早期对各种可能的物理系统的广泛研究，逐步聚焦到了少数物理系统。
20世纪90年代时，美国不知道什么样物理体系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，发现许多体系根本不可能最终做成量子计算机，所以他们转而重点支持固态系统。
固态系统的优点是易于集成（能够升级量子比特数目），但缺点是容错性不好，固态系统的消相干特别严重，相干时间很短，操控误差大。
2004以来，世界上许多著名的研究机构，如美国哈佛大学，麻省理工学院，普林斯顿大学，日本东京大学，荷兰Delft大学等都投入了很大的力量，在半导体量子点作为未来量子芯片的研究方面取得一系列重大进展。最近几年，半导体量子芯片的相干时间已经提高到200微秒。
国际上，在自旋量子比特研究方面，2012年做到两个比特之后，一直到2015年，还是停留在四个量子点编码的两个自旋量子比特研究，实现了两比特的CNOT（受控非）。
虽然国际同行在电荷量子比特的研究中比我们早，但是至今也只做到四个量子点编码的两个比特。我们研究组在电荷量子比特上的研究，从2010年左右制备单个量子点，然后2011年双量子点，2012~2013年实现两个量子点编码的单量子比特， 2014~2015实现四量子点编码的两个电荷量子比特，目前已研制成六个量子点编码为三个量子比特个并实现了三个比特量子门操作。已经达到国际领先水平。
超导量子芯片要比半导体量子芯片发展得更快。
表 1 与国际领先研究的对比近几年，科学家使用各种方法把超导的相干时间尽可能拉长，到现在也达到了100多微秒。这花了13年的基础研究，提高了5万倍。
特别是，超导量子计算在某些指标上也表现更好，分别是：
1、量子退相干时间超过0.1ms，高于逻辑门操作时间1000倍以上，接近可实用化的下限。
2、单比特和两比特门运算的保真度分别达到99.94%和99.4%，达到量子计算理论的容错率阈值要求。
3、已经实现9个量子比特的可控耦合。
4、在量子非破坏性测量中，达到单发测量的精度。
5、在量子存储方面，实现超高品质因子谐振腔。
美国从90年代到现在，在基础研究阶段超导领域的突破，已经引起了企业的重视。美国所有重大的科技公司，包括微软、苹果、谷歌都在量子计算机研制领域投入了巨大的力量，以期全力争夺量子计算机这块“巨大的蛋糕”！
其中，最典型的就是谷歌在量子计算机领域的布局。它从加州大学圣芭芭拉分校高薪引进国际上超导芯片做得最好的J。 Matinis团队（23人），从事量子人工智能方面的研究。
他们制定了一个计划：明年做到50个量子比特，定这个目标是因为，如果能做49个量子比特的话，在大数据处理等方面，就远远超过了电子计算机所有可能的能力。
整体来看，量子计算现在正处于“从晶体管向集成电路过渡阶段”。
五、尚未研制成功的量子计算机，我们仍有机会！
很多人都问，实际可用的量子计算机究竟什么时候能做出来？
中国和欧洲估计需要15年，美国认为会更快，美国目前的发展确实也更快。
量子计算是量子信息领域的主流研究方向，从90年代开始，美国就在这方面花大力气研究，在硬件、软件、材料各个方面投入巨大，并且它有完整的对量子计算研究的整体策划，不仅各个指标超越世界其他国家，各个大公司的积极性也调动了起来。
美国的量子计算机研制之路分3个阶段：第一阶段政府主导，主要做基础研究；第二阶段，企业开始投入；第三阶段，加快产出速度。
反观中国的量子计算机发展，明显落后，软件、材料几乎没有人做，软硬件是相辅相成的，材料研究也需提早做准备。“十三五”重大研究计划，量子计算机应当“三驾马车”一起发展，硬件、软件、材料三个都要布局。
尽管落后，毕竟量子计算机尚未研制成功，我们仍有机会，只是时间已越来越紧迫！只要能发挥我国制度的优越性，集中资源有步骤地合理布局、支持，仍然大有可为！
