比超級(jí)計(jì)算機(jī)快百萬(wàn)億倍僅是量子計(jì)算“星辰大海”的第一步 摩爾定律終結(jié)后量子計(jì)算將擔(dān)重任

早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)著名物理學(xué)家費(fèi)曼提出了按照量子力學(xué)規(guī)律工作的計(jì)算機(jī)的概念，這被認(rèn)為是最早的量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)想，此后科技界就沒(méi)有停止過(guò)探索。

近年來(lái)，量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域頻頻傳來(lái)重要進(jìn)展：美國(guó)霍尼韋爾公司表示研發(fā)出64量子體積的量子計(jì)算機(jī)，性能是上一代的兩倍;2020年底，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算機(jī)“九章”;2月初，我國(guó)本源量子計(jì)算公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)的中國(guó)首款量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)“本源司南”正式發(fā)布……

作為“未來(lái)100年內(nèi)最重要的計(jì)算機(jī)技術(shù)”“第四次工業(yè)革命的引擎”，量子計(jì)算對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)，就像是屬于未來(lái)的黑科技，代表著人類(lèi)技術(shù)水平在想象力所及范圍之內(nèi)的巔峰。世界各國(guó)紛紛布局量子計(jì)算并取得不同成就后證實(shí)，量子計(jì)算雖然一直“停在未來(lái)”，但“未來(lái)可期”。

摩爾定律終結(jié)后量子計(jì)算將擔(dān)重任

20世紀(jì)60年代，平面型集成電路問(wèn)世，光刻技術(shù)成為了半導(dǎo)體元器件性能的決定因素：只要光刻精度不斷提高，元器件的密度也會(huì)相應(yīng)提高。因此，平面工藝被認(rèn)為是“半導(dǎo)體的工業(yè)鍵”，也是摩爾定律問(wèn)世的技術(shù)基礎(chǔ)。

摩爾定律指出，平均每18個(gè)月，集成電路芯片上所集成的電路數(shù)目就翻一倍。雖然這并不是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)定律，但在一定程度上反映了信息化大數(shù)據(jù)時(shí)代人類(lèi)對(duì)計(jì)算能力指數(shù)增長(zhǎng)的期待。

隨著芯片集成度不斷提高，我們的手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品也在不斷更新?lián)Q代。那么，摩爾定律會(huì)不會(huì)被終結(jié)?

摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)天然地受到兩種主要物理限制：一是巨大的能耗讓芯片有被燒壞的危險(xiǎn)。芯片發(fā)熱主要是因?yàn)橛?jì)算機(jī)門(mén)操作時(shí)，其中不可逆門(mén)操作會(huì)丟失比特，每丟失一個(gè)比特就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)熱量，操作速度越快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越多，計(jì)算機(jī)溫度必然會(huì)迅速上升，必須消耗大量能量用于散熱，否則芯片將被高溫?zé)龎摹?/p>

二是量子隧穿效應(yīng)會(huì)限制集成電路的精細(xì)程度。為了提高集成度，晶體管會(huì)越做越小，當(dāng)晶體管小到只有一個(gè)電子時(shí)，量子隧穿效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。在勢(shì)壘一邊平動(dòng)的粒子，當(dāng)動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí)，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過(guò)勢(shì)壘的;而對(duì)于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢(shì)壘，實(shí)際也是如此，這種現(xiàn)象稱(chēng)為隧穿效應(yīng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)集成電路的精細(xì)程度達(dá)到了一定級(jí)別，特別是當(dāng)電路的線寬接近電子波長(zhǎng)的時(shí)候，電子就通過(guò)隧穿效應(yīng)而穿透絕緣層，使器件無(wú)法正常工作。

鑒于以上兩點(diǎn)，物理學(xué)家預(yù)言摩爾定律終將終結(jié)。現(xiàn)有基于半導(dǎo)體芯片技術(shù)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，芯片集成密度不可能永遠(yuǎn)增加，總會(huì)趨近于物理極限，應(yīng)付日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理需求可能越來(lái)越困難。

最新一代的英特爾酷睿處理器，它的芯片每一平方毫米的面積已經(jīng)集成了一億個(gè)晶體管。我國(guó)的太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)，大約用了四萬(wàn)多個(gè)CPU。如果摩爾定律終結(jié)，提高運(yùn)算速度的途徑是什么?破局的方向指向了量子計(jì)算。

量子比特讓信息處理速度指數(shù)提升

給經(jīng)典計(jì)算機(jī)帶來(lái)障礙的量子效應(yīng)，反而成為了量子計(jì)算機(jī)的助力。

費(fèi)曼認(rèn)為微觀世界的本質(zhì)是量子的，想要模擬它，就得用和自然界的工作原理一樣的方式，也就是量子的方式才行。他將物理學(xué)和計(jì)算機(jī)理論聯(lián)系到一起，提出了基于量子態(tài)疊加等原理的量子計(jì)算機(jī)概念。

比特是信息操作的基本單元，基于量子疊加態(tài)原理，科學(xué)家們嘗試用量子比特取代經(jīng)典比特。

經(jīng)典比特有且僅有兩個(gè)可能的狀態(tài)，經(jīng)常用“0”和“1”來(lái)表示，就好比一個(gè)開(kāi)關(guān)，只有開(kāi)和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。而量子比特就好比一個(gè)旋鈕，是連續(xù)可調(diào)的，它可以指向任何一個(gè)角度。也就是說(shuō)，量子比特不只有兩個(gè)狀態(tài)，可以處于0和1之間任意比例的疊加態(tài)。想象一下，一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看到它的正面或背面;當(dāng)你把它快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，你看到的既是正面，又是背面。于是，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就像許多硬幣同時(shí)翩翩起舞。

假設(shè)一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)有兩個(gè)比特，在某一確定時(shí)刻，它最多只能表示00、10、01、11這四種可能性的一種;而量子計(jì)算由于疊加性，它可以同時(shí)表示出四種信息狀態(tài)。

對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，N個(gè)比特只可能處在2N個(gè)狀態(tài)中的一種情況，而對(duì)于量子比特來(lái)說(shuō)，N個(gè)量子比特可以處于2N個(gè)狀態(tài)任意比例疊加。理論上，如果對(duì)N個(gè)比特的量子疊加態(tài)進(jìn)行運(yùn)算操作，等于同時(shí)操控2的N次方個(gè)狀態(tài)。隨著可操縱比特?cái)?shù)增加，信息的存儲(chǔ)量和運(yùn)算的速度會(huì)呈指數(shù)增加，經(jīng)典計(jì)算機(jī)將望塵莫及。

有報(bào)道指出，一臺(tái)30個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和一臺(tái)每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算的經(jīng)典計(jì)算機(jī)水平相當(dāng)，是今天經(jīng)典臺(tái)式機(jī)速度的一萬(wàn)倍。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，一臺(tái)50比特的量子計(jì)算機(jī)，在處理一些特定問(wèn)題時(shí)，計(jì)算速度將超越現(xiàn)有最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

多種發(fā)展方案未來(lái)可期

量子計(jì)算機(jī)是宏觀尺度的量子器件，環(huán)境不可避免會(huì)導(dǎo)致量子相干性的消失(即消相干)，一旦量子特性被破壞，將導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)并行運(yùn)算能力基礎(chǔ)消失，變成經(jīng)典的串行運(yùn)算，這是量子計(jì)算機(jī)研究的主要障礙。

即便量子計(jì)算機(jī)的研究已經(jīng)出現(xiàn)諸多成果，但還處在早期發(fā)展的階段。倘若類(lèi)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，今天的量子計(jì)算機(jī)幾乎是位于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的電子管時(shí)代，就連最底層的物理載體還沒(méi)有完全形成。

目前主流的技術(shù)路徑有超導(dǎo)、半導(dǎo)、離子阱、光學(xué)以及量子拓?fù)溥@五個(gè)方向，前四種路徑均已制作出物理原型機(jī)。各國(guó)科學(xué)家研究比較多、也相對(duì)成熟的有超導(dǎo)量子計(jì)算、半導(dǎo)量子點(diǎn)量子計(jì)算等。

超導(dǎo)量子計(jì)算的核心單元是一種“超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體”三層結(jié)構(gòu)的約瑟夫森結(jié)電子器件，類(lèi)似晶體管的PN結(jié)。其中間絕緣層的厚度不超過(guò)10納米，能夠形成一個(gè)勢(shì)壘，超導(dǎo)電子能夠隧穿該勢(shì)壘形成超導(dǎo)電流。與其他量子體系相比，超導(dǎo)量子電路的能級(jí)結(jié)構(gòu)可通過(guò)對(duì)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行定制，或通過(guò)外加電磁信號(hào)進(jìn)行調(diào)控。而且，基于現(xiàn)有的集成電路工藝，約瑟夫森結(jié)量子電路還具有可擴(kuò)展性。這些優(yōu)點(diǎn)使超導(dǎo)量子電路成為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算最有前景的物理方案之一。

量子點(diǎn)量子計(jì)算，是利用了半導(dǎo)體量子點(diǎn)中的電子自旋作為量子比特。量子點(diǎn)是一種有著三維量子強(qiáng)束縛的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中電子的能級(jí)是分立的，類(lèi)似于電子在原子中的能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此被稱(chēng)為“人造原子”。量子比特編碼在電子的自旋態(tài)上，使用微波脈沖或者純電學(xué)的方法進(jìn)行單量子比特操控。量子點(diǎn)方案的優(yōu)點(diǎn)則是量子位可以是嵌套在固態(tài)量子器件上，這與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)相似，被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的候選方案。

量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度取決于其能夠操控的量子比特?cái)?shù)。由于消相干的存在，操控量子比特難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而計(jì)算失效。以超導(dǎo)量子計(jì)算為例，一億次的操控最多只允許犯一次錯(cuò)誤。操控量子比特難度如此之大，以至于早期許多科學(xué)家認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)不可能制造出來(lái)。

目前而言，超導(dǎo)量子芯片要比半導(dǎo)體量子芯片發(fā)展得更快。2019年，谷歌公司發(fā)布了53個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”。2020年12月4日，中國(guó)科大潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建起76個(gè)光量子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍。

不過(guò)，無(wú)論是“懸鈴木”還是“九章”，目前都只是僅能夠處理運(yùn)算特定數(shù)學(xué)問(wèn)題的“原型機(jī)”。而我們的“星辰大海”是造出有大規(guī)模容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)。畢竟，量子時(shí)代的“未來(lái)已來(lái)”，超強(qiáng)的量子計(jì)算值得期待。