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通用量子计算模型：一个资源理论的视角

Universal quantum computing models: a perspective of resource theory

王东升

物理学报, 2024, 73(22): 220302

doi: 10.7498/aps.73.20240893

文章导读

量子信息与量子计算领域在近几十年快速发展，该领域不仅是量子物理的一个分支，也是物理与信息、计算等领域的交叉学科，具有广泛的应用前景。然而，为了建造通用的量子计算机，还需要解决一些基本的理论问题，这可以从通用性和容错性两个方面来看。通用性主要涉及计算模型或架构，容错性主要是指量子比特演化对噪声的克服。把二者结合起来才构成完整的容错的通用量子计算架构。本文从量子资源理论的角度，系统地研究了多种通用量子计算模型，提出了计算模型的分类表(如图1所示)。这不仅可以从新的角度认识已有的一些模型，而且可以预测新的模型，包括作者最近发展的量子冯⋅诺依曼架构。

最基本的通用模型是线路模型，即一个量子计算的基本过程包括初始量子态的制备，然后通过一系列幺正的量子门操作，最后进行测量以获得计算结果。与一般的物理过程不同，它有一些特殊的要求，比如数字化、通用性、容错性和可编程性等。数字化要求量子态和演化过程以多量子比特和基本量子门的形式表示。为了以任意高的精度实现量子门，量子纠错是必不可少的。可编程性是为了实现硬件的多功能性以及程序的存储和高级编程。那么，采用不同的量子门的实现方式、不同的纠错码、不同的编程方案以及控制方法等，则可以构造不同的计算模型。这些不同的方案或场景，可以严格地用量子资源理论来刻画。换句话说，这为量子信息理论中所研究的相干性、纠缠、语境性等量子资源提供了应用场景，并进而刻画其通用计算能力。文章详细介绍了四个家族的模型，其中包括人们熟悉的测量量子计算、绝热量子计算等，并分析了模型的特性及相关应用。此外还重点讨论了量子冯⋅诺依曼架构，包括其组成部分如量子通信、控制、存储和计算单元，重点分析了量子程序存储和量子控制单元的构建，以及如何克服相关的不可能定理。同时，也探讨了其模块化、保密性、可编程性等特点，以及对量子芯片和量子算法设计的影响。

总之，本文系统分析了通用量子计算模型，探讨了通用量子计算机的物理实现所面临的问题和挑战，也为人们更多地发现不仅在计算速度上，还包括存储、保密、能耗等方面上的量子优势提供了理论借鉴。

图1 通用量子计算模型分类表

作者简介

王东升

中国科学院理论物理研究所副研究员，博士生导师。

本科毕业于山东大学物理学院，于2015年在加拿大卡尔加里大学取得博士学位。曾在英属哥伦比亚大学、滑铁卢大学量子计算研究中心(IQC)做博士后研究。长期从事量子信息与量子计算相关理论工作。曾提出量子信道和耗散过程的模拟算法，基于近似纠错码的准容错量子计算理论，以及测量量子计算模型的资源理论。近期提出了量子冯⋅诺依曼架构，并系统研究了通用量子计算模型。