比超級計(jì)算機(jī)快百萬億倍僅是量子計(jì)算“星辰大海”的第一步 _僅是

早在上世紀(jì)80年代，美國著名物理學(xué)家費(fèi)曼就提出了根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律工作的計(jì)算機(jī)概念，這被認(rèn)為是最早的量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想，之后科技界從未停止探索。

【比超級計(jì)算機(jī)快百萬億倍僅是量子計(jì)算“星辰大海”的第一步】近年來，量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域頻繁取得重要進(jìn)展:美國霍尼韋爾公司開發(fā)了64量子體積的量子計(jì)算機(jī)，表現(xiàn)是上一代的兩倍，2020年底，中國科技大學(xué)潘建偉教授等人成功構(gòu)建了76個(gè)光子量子計(jì)算機(jī)九章，2月初，中國本源量子計(jì)算公司負(fù)責(zé)開發(fā)的中國首個(gè)量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)本源司南正式發(fā)布了helliphelliphel

作為今后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)算機(jī)對許多人來說是黑色技術(shù)的頂點(diǎn)世界各國紛紛布局量子計(jì)算，取得不同成果后，量子計(jì)算一直停留在未來，但未來值得期待。

摩爾法則結(jié)束后，量子計(jì)算負(fù)責(zé)

1960年代，平面型集成電路問世，雕刻技術(shù)成為半導(dǎo)體部件性能的決定因素:雕刻精度不斷提高，部件密度也相應(yīng)提高。因此，平面技術(shù)被認(rèn)為是半導(dǎo)體的工業(yè)鍵，也是摩爾法則登場的技術(shù)基礎(chǔ) 。

摩爾法則指出，平均每18個(gè)月集成電路芯片的電路數(shù)量翻了一番。這不是嚴(yán)格的科學(xué)法則，但在一定程度上反映了信息化大數(shù)據(jù)時(shí)代人類對計(jì)算能力指數(shù)增長的期待。

隨著芯片整合度的提高，我們的手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品也在更新。那么，摩爾法則不會(huì)結(jié)束嗎？

摩爾法則的技術(shù)基礎(chǔ)自然受到兩個(gè)主要物理限制。一個(gè)是巨大的能源消耗芯片有燒毀的危險(xiǎn) 。芯片發(fā)熱主要是因?yàn)殡娔X門在操作的時(shí)候，其中不可逆門的操作會(huì)失去比特，每次失去一個(gè)比特就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量，操作速度越快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越多，電腦溫度必然會(huì)快速上升，必須消耗大量的能量用于散熱，否則芯片就會(huì)被高溫?zé)龎?。

第二，量子隧道的穿透效果限制了集成電路的細(xì)度。為了提高集成度，晶體管越小，晶體管越小，量子隧道的穿透效果越小。勢壘邊平動(dòng)的粒子，動(dòng)能小于勢壘高度時(shí)，根據(jù)古典的力學(xué)，粒子不能越過勢壘的微觀粒子，量子力學(xué)證明還有一定的概率貫穿勢壘，實(shí)際上這種現(xiàn)象被稱為隧道效果。簡而言之，當(dāng)集成電路的精細(xì)程度達(dá)到一定水平時(shí)，特別是當(dāng)電路的線寬接近電子波長時(shí)，電子通過隧道穿透效果穿透絕緣層，使設(shè)備無法正常工作。鑒于以上兩點(diǎn)，物理學(xué)家預(yù)言摩爾法則將結(jié)束。目前基于半導(dǎo)體芯片技術(shù)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，芯片整合密度不可能永遠(yuǎn)增加，接近物理極限，應(yīng)對日益增加的數(shù)據(jù)處理需求可能越來越困難。

最新一代英特爾核心處理器，其芯片的每平方毫米面積已集成1億個(gè)晶體管。我國太湖之光超級計(jì)算機(jī)，大概使用了4萬多個(gè)CPU 。摩爾法則結(jié)束后，提高運(yùn)算速度的方法是什么？破位方向指向量子計(jì)算。

量子比特提高了信息處理速度指數(shù)

給古典計(jì)算機(jī)帶來障礙的量子效應(yīng)，反而成為量子計(jì)算機(jī)的力量。

費(fèi)曼認(rèn)為微觀世界的本質(zhì)是量子，為了模擬它，必須使用與自然界的工作原理相同的方法，即量子的方法。他將物理學(xué)和計(jì)算機(jī)理論聯(lián)系起來，提出了基于量子狀態(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)的原理，科學(xué)家們試圖用量子比特代替古典比特。

經(jīng)典比特有兩種可能狀態(tài)，經(jīng)常用0和1來表示開關(guān)，只有開關(guān)兩種狀態(tài) 。量子比特就像旋鈕，可以連續(xù)調(diào)整，可以指向任何角度。也就是說，量子比特不僅處于兩種狀態(tài)，還處于0和1之間任意比例的重疊狀態(tài) 。想象一下，放在桌子上靜止的硬幣，只能看到它的正面和背面，快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，看到的是正面和背面。因此，量子計(jì)算機(jī)就像許多硬幣同時(shí)跳舞。

假設(shè)一臺經(jīng)典電腦有兩個(gè)比特，在某個(gè)確定時(shí)刻，最多只能表示00、10、01、11這四種可能性的一種量子計(jì)算可以同時(shí)表示4種信息狀態(tài) 。

對于典型的計(jì)算機(jī)來說，n個(gè)比特只有2N個(gè)狀態(tài)，而對于量子比特，n個(gè)量子比特可以在2N個(gè)狀態(tài)下任意重疊。理論上，如果操作n個(gè)比特的量子重疊狀態(tài)，則相當(dāng)于同時(shí)操作2的n次方形狀態(tài) 。隨著可操作比特?cái)?shù)的增加，信息的存儲(chǔ)量和運(yùn)算速度指數(shù)增加，古典計(jì)算機(jī)無法預(yù)料。

有報(bào)道指出，一臺30個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和一臺每秒萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算的經(jīng)典計(jì)算機(jī)水平相當(dāng)，是今天經(jīng)典臺式機(jī)速度的一萬倍。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，一臺50比特的量子計(jì)算機(jī)，在處理一些特定問題時(shí)，計(jì)算速度將超越現(xiàn)有最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī) 。

多種發(fā)展方案未來可期

量子計(jì)算機(jī)是宏觀尺度的量子設(shè)備，環(huán)境不可避免地會(huì)導(dǎo)致量子相關(guān)性的消失(即消失相關(guān)性)，一旦量子特性被破壞，量子計(jì)算機(jī)的并行運(yùn)行能力基礎(chǔ)就會(huì)消失，成為典型的串行運(yùn)算，這是量子計(jì)算機(jī)研究的主要障礙。

即使量子計(jì)算機(jī)的研究取得了很多成果，也處于早期發(fā)展階段。與古典計(jì)算機(jī)相比，今天的量子計(jì)算機(jī)幾乎處于古典計(jì)算機(jī)的電子管時(shí)代，連最下層的物理載體都沒有完全形成。

目前主流的技術(shù)路徑有超導(dǎo)、半導(dǎo)體、離子圈套、光學(xué)和量子拓?fù)湮鍌€(gè)方向，前四個(gè)路徑都制作了物理原型機(jī) 。各國科學(xué)家研究較多，比較成熟的有超導(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)電子設(shè)備，是晶體管的PN結(jié) 。其中間絕緣層厚度不超過10納米，可形成勢壘，超導(dǎo)電子可穿過勢壘形成超導(dǎo)電流。與其他量子系統(tǒng)相比，超導(dǎo)量子電路的能源結(jié)構(gòu)可以定制電路的設(shè)計(jì)，也可以通過添加電磁信號來控制。另外，基于現(xiàn)有的集成電路技術(shù)，約瑟夫森結(jié)量子電路具有可擴(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)是具有三維量子強(qiáng)制束縛的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中電子能源水平分立，類似于電子原子能源水平結(jié)構(gòu)，因此被稱為人工原子。量子比特代碼通過電子自旋態(tài)、微波脈沖或純電學(xué)的方法進(jìn)行單量子比特操作。量子點(diǎn)方案的優(yōu)點(diǎn)是量子位置可以嵌入固體量子設(shè)備，與古典計(jì)算機(jī)的大型集成電路設(shè)計(jì)相似，被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)大型量子計(jì)算機(jī)的候補(bǔ)方案。

量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度取決于能夠控制的量子比特?cái)?shù) 。由于消除關(guān)系的存在，操作量子比特不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，計(jì)算失效。以超導(dǎo)量子計(jì)算為例，1億次的操作最多只允許犯一次錯(cuò)誤。操縱量子比特的難易度很高，很多科學(xué)家認(rèn)為早期量子計(jì)算機(jī)不能制造。

目前，超導(dǎo)量子芯片比半導(dǎo)體量子芯片發(fā)展得更快。2019年，谷歌公司發(fā)布了53臺超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算原型機(jī)懸鈴木。2020年12月4日，中國科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)建立了76個(gè)光量子量子計(jì)算原型機(jī)九章，處理高斯玻璃色采樣的速度比現(xiàn)在最快的超級計(jì)算機(jī)快100兆倍。

但無論是懸鈴木還是九章，現(xiàn)在只能處理運(yùn)算特定數(shù)學(xué)問題的原型機(jī) 。我們星海是一臺具有大規(guī)模容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī) 。畢竟量子時(shí)代的未來已經(jīng)到來，超強(qiáng)量子計(jì)算值得期待。

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