量子計(jì)算機(jī)研究(上)

量子計(jì)算機(jī) 量子計(jì)算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，利用原子的量子特性進(jìn)行信息處理。 由于原子具有在同一時(shí)間處于兩個(gè)不同位置的奇妙特性，即處于量子位的原子既可以代表0或1，也能同時(shí)代表0和1以及0和1之間的中間值，故無(wú)論從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是處理的角度，量子位的能力都是晶體管電子位的兩倍。對(duì)此，有人曾經(jīng)作過(guò)這樣的比喻：假設(shè)一只老鼠準(zhǔn)備繞過(guò)一只貓，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，它要么從左邊過(guò)，要么從右邊過(guò)，而根據(jù)量子理論，它卻可以同時(shí)從貓的左邊和右邊繞過(guò)。 量子計(jì)算機(jī)在外形上有較大差異，它沒(méi)有盒式外殼；看起來(lái)像是一個(gè)被其它物質(zhì)包圍的巨大磁場(chǎng)；它不能利用硬盤實(shí)現(xiàn)信息的長(zhǎng)期存儲(chǔ)；但高效的運(yùn)算能力使量子計(jì)算機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。 如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，方案并不少，問(wèn)題是在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難了。這些計(jì)算機(jī)機(jī)異常敏感，哪怕是最小的干擾--比如一束從旁邊經(jīng)過(guò)的宇宙射線--也會(huì)改變機(jī)器內(nèi)計(jì)算原子的方向，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。目前，量子計(jì)算機(jī)只能利用大約5個(gè)原子做最簡(jiǎn)單的計(jì)算。要想做任何有意義的工作都必須使用數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子。

由硅制成的量子計(jì)算機(jī)能夠利用大規(guī)模制造技術(shù)，更簡(jiǎn)單方便地制造出商用設(shè)備。

《自然》雜志官網(wǎng)

科技日?qǐng)?bào)北京1月23日電 ：量子計(jì)算機(jī)由于強(qiáng)大的計(jì)算潛能和由此獲得的廣泛用途而“引無(wú)數(shù)英雄競(jìng)折腰”。在這個(gè)群雄爭(zhēng)霸的量子計(jì)算機(jī)戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，各路英豪各出奇招，提出了不同的量子計(jì)算機(jī)物理體系，比如采用囚禁離子、超導(dǎo)等，這些方法可謂“春蘭秋菊，各有勝場(chǎng)”。

而另一種比較低調(diào)的方法——用硅制造量子計(jì)算機(jī)，隨著材料科學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，逐漸獲得很多科學(xué)家的青睞。據(jù)英國(guó)《自然》雜志近日?qǐng)?bào)道，半導(dǎo)體巨頭英特爾公司已經(jīng)研制出了首臺(tái)采用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硅芯片制造技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，用硅制造量子計(jì)算機(jī)意味著可以利用成熟的大規(guī)模制造技術(shù)，更容易地制造商用設(shè)備。

當(dāng)然，也有不少專家指出，距離真正研制出實(shí)用的硅量子計(jì)算機(jī)，還需時(shí)日。

硅量子技術(shù)春天到來(lái)

目前，許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了量子計(jì)算機(jī)原型，但它們通常要在接近絕對(duì)零度的溫度下工作。這場(chǎng)計(jì)算競(jìng)賽中的領(lǐng)跑者通常使用下列兩種方法之一來(lái)編碼量子位：利用被囚禁在勢(shì)阱中的單離子，或利用在超導(dǎo)回路中振蕩的電流。但這兩種系統(tǒng)都需要精準(zhǔn)控制：離子技術(shù)使用復(fù)雜的激光系統(tǒng)來(lái)讀寫(xiě)每個(gè)量子位，超導(dǎo)量子位則必須各有一個(gè)裝置來(lái)用無(wú)線電波控制它們。

而硅技術(shù)的擁躉看到了使用半導(dǎo)體來(lái)編碼量子位的巨大優(yōu)勢(shì)。比如，這樣的量子位可以更簡(jiǎn)單地利用蝕刻在芯片上的微型電線來(lái)操控；另外，如果傳統(tǒng)芯片的大規(guī)模制造技術(shù)可應(yīng)用到量子領(lǐng)域，那么技術(shù)轉(zhuǎn)化為商用產(chǎn)品將會(huì)變得更容易。

上海交通大學(xué)教授金賢敏對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō)：“采用硅晶體管開(kāi)發(fā)量子位，還有一個(gè)原因在于，相對(duì)于超導(dǎo)材料，硅量子位的可靠性更高。谷歌研究員此前曾發(fā)布論文指出，目前所有的量子位都容易出錯(cuò)，因?yàn)樗鼈兪褂玫牧孔有?yīng)非常脆弱，即使對(duì)設(shè)備的噪音加以控制，也能在遠(yuǎn)不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加?！?

現(xiàn)在，首臺(tái)采用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硅芯片制造技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)已由英特爾公司研制成功，并交付給了合作伙伴——位于荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究機(jī)構(gòu)。英特爾的這臺(tái)低調(diào)設(shè)備或許就像一朵羞答答的迎春花，昭示硅量子技術(shù)春天的到來(lái)。

一些科學(xué)家也表示，在“硅路線”上看到了希望。澳大利亞新南威爾士大學(xué)米歇爾·西蒙斯的團(tuán)隊(duì)也在開(kāi)發(fā)用硅制造量子計(jì)算機(jī)的方法。去年5月，西蒙斯創(chuàng)辦了初創(chuàng)企業(yè)“硅量子計(jì)算”，澳大利亞政府提供了資金支持。

商用前途漫漫仍可期

其實(shí)，用硅制造量子計(jì)算機(jī)的想法并不新鮮。早在20年前，美國(guó)馬里蘭大學(xué)帕克分校的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家布魯斯·凱恩，就率先建議利用嵌入硅的磷原子核的磁向（自旋）來(lái)編碼量子位。與此同時(shí)，IBM的理論物理學(xué)家戴維·文森佐和瑞士巴塞爾大學(xué)的丹尼爾·魯斯，也提出了一種用半導(dǎo)體內(nèi)部移動(dòng)電子的自旋來(lái)存儲(chǔ)信息的方法。

有不少研究人員針對(duì)這兩項(xiàng)建議進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性探索，但正如普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家杰森·佩塔所說(shuō)，囿于相關(guān)材料科學(xué)和工程領(lǐng)域多年來(lái)進(jìn)展緩慢，硅量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域鮮有重大突破。

鑒于此，近年來(lái)，西蒙斯擔(dān)任“掌門人”的新南威爾士大學(xué)量子計(jì)算和通信技術(shù)中心做了大量基礎(chǔ)工作，他們開(kāi)發(fā)了一種只需要極少控制導(dǎo)線的制造技術(shù)，可避免量子設(shè)備擴(kuò)大后不可避免的擁擠問(wèn)題。無(wú)獨(dú)有偶，2017年，佩塔和代爾夫特大學(xué)的利芬·萬(wàn)德斯潘分別領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)均獲得了里程碑式進(jìn)展——他們?cè)O(shè)計(jì)出了第一個(gè)完全可控的雙量子位硅元器件。

10年間，英特爾公司已在代爾夫特累計(jì)投資5000萬(wàn)美元，目前，該公司正為萬(wàn)德斯潘研制多量子位電子自旋設(shè)備。英特爾量子硬件開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)人詹姆斯·克拉克說(shuō)：“我們希望通過(guò)加速自旋量子位來(lái)與更成熟的方法競(jìng)爭(zhēng)。”

西蒙斯計(jì)劃在5年內(nèi)建造一臺(tái)10個(gè)硅量子位的計(jì)算機(jī)。谷歌、IBM等公司則“押寶”其他技術(shù)，試圖構(gòu)建出約有50個(gè)超導(dǎo)量子位的計(jì)算機(jī)；英特爾也在朝這個(gè)方向進(jìn)發(fā)，但它同時(shí)投資了硅量子計(jì)算機(jī)技術(shù)，希望通過(guò)廣撒網(wǎng)，最終在量子計(jì)算機(jī)競(jìng)爭(zhēng)中拔得頭籌。

金賢敏也對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者表示：“即使超導(dǎo)量子比特風(fēng)頭正勁，似乎更有希望，但其實(shí)其錯(cuò)誤率等問(wèn)題仍然很大，前景不容樂(lè)觀。盡管硅量子計(jì)算目前能實(shí)現(xiàn)的量子位數(shù)最少，量子門實(shí)現(xiàn)的時(shí)間最晚，但成熟的硅基工藝卻為未來(lái)的成長(zhǎng)潛力提供了很大的想象空間?！?

量子計(jì)算的黃金時(shí)代即將到來(lái)，它將為運(yùn)算帶來(lái)指數(shù)級(jí)加速，但無(wú)人知曉，最終哪種量子位能脫穎而出，助人類研制出最強(qiáng)大的實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)，只有時(shí)間能告訴我們答案，讓我們拭目以待。（劉 霞）