比超級計算機快百萬億倍僅是量子計算的第一步

一臺30個量子比特的量子計算機的計算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的經典計算機水平相當。據科學家估計，一臺50比特的量子計算機，在處理一些特定問題時，計算速度將超越現有最強的超級計算機。

量子科技系列報道④

◎本報記者 吳長鋒

早在20世紀80年代，美國著名物理學家費曼提出了按照量子力學規律工作的計算機的概念，這被認為是最早的量子計算機的構想，此后科技界就沒有停止過探索。

近年來，量子計算機領域頻頻傳來重要進展：美國霍尼韋爾公司表示研發出64量子體積的量子計算機，性能是上一代的兩倍；2020年底，中國科學技術大學潘建偉教授等人成功構建76個光子的量子計算機“九章”；2月初，我國本源量子計算公司負責開發的中國首款量子計算機操作系統“本源司南”正式發布……

作為“未來100年內最重要的計算機技術”“第四次工業革命的引擎”，量子計算對于很多人來說，就像是屬于未來的黑科技，代表著人類技術水平在想象力所及范圍之內的巔峰。世界各國紛紛布局量子計算并取得不同成就后證實，量子計算雖然一直“停在未來”，但“未來可期”。

摩爾定律終結后量子計算將擔重任

20世紀60年代，平面型集成電路問世，光刻技術成為了半導體元器件性能的決定因素：只要光刻精度不斷提高，元器件的密度也會相應提高。因此，平面工藝被認為是“半導體的工業鍵”，也是摩爾定律問世的技術基礎。

摩爾定律指出，平均每18個月，集成電路芯片上所集成的電路數目就翻一倍。雖然這并不是一個嚴謹的科學定律，但在一定程度上反映了信息化大數據時代人類對計算能力指數增長的期待。

隨著芯片集成度不斷提高，我們的手機、電腦等電子產品也在不斷更新換代。那么，摩爾定律會不會被終結？

摩爾定律的技術基礎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。芯片發熱主要是因為計算機門操作時，其中不可逆門操作會丟失比特，每丟失一個比特就會產生相應熱量，操作速度越快，單位時間內產生的熱量就越多，計算機溫度必然會迅速上升，必須消耗大量能量用于散熱，否則芯片將被高溫燒壞。

二是量子隧穿效應會限制集成電路的精細程度。為了提高集成度，晶體管會越做越小，當晶體管小到只有一個電子時，量子隧穿效應就會出現。在勢壘一邊平動的粒子，當動能小于勢壘高度時，按照經典力學，粒子是不可能越過勢壘的；而對于微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘，實際也是如此，這種現象稱為隧穿效應。簡單來說，當集成電路的精細程度達到了一定級別，特別是當電路的線寬接近電子波長的時候，電子就通過隧穿效應而穿透絕緣層，使器件無法正常工作。

鑒于以上兩點，物理學家預言摩爾定律終將終結。現有基于半導體芯片技術的經典計算機，芯片集成密度不可能永遠增加，總會趨近于物理極限，應付日益增長的數據處理需求可能越來越困難。

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集成了一億個晶體管。我國的太湖之光超級計算機，大約用了四萬多個CPU。如果摩爾定律終結，提高運算速度的途徑是什么？破局的方向指向了量子計算。

量子比特讓信息處理速度指數提升

給經典計算機帶來障礙的量子效應，反而成為了量子計算機的助力。

費曼認為微觀世界的本質是量子的，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。他將物理學和計算機理論聯系到一起，提出了基于量子態疊加等原理的量子計算機概念。

比特是信息操作的基本單元，基于量子疊加態原理，科學家們嘗試用量子比特取代經典比特。

經典比特有且僅有兩個可能的狀態，經常用“0”和“1”來表示，就好比一個開關，只有開和關兩個狀態。而量子比特就好比一個旋鈕，是連續可調的，它可以指向任何一個角度。也就是說，量子比特不只有兩個狀態，可以處于0和1之間任意比例的疊加態。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；當你把它快速旋轉起來，你看到的既是正面，又是背面。于是，一臺量子計算機就像許多硬幣同時翩翩起舞。

假設一臺經典計算機有兩個比特，在某一確定時刻，它最多只能表示00、10、01、11這四種可能性的一種；而量子計算由于疊加性，它可以同時表示出四種信息狀態。

對于經典計算機來說，N個比特只可能處在2N個狀態中的一種情況，而對于量子比特來說，N個量子比特可以處于2N個狀態任意比例疊加。理論上，如果對N個比特的量子疊加態進行運算操作，等于同時操控2的N次方個狀態。隨著可操縱比特數增加，信息的存儲量和運算的速度會呈指數增加，經典計算機將望塵莫及。

有報道指出，一臺30個量子比特的量子計算機的計算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的經典計算機水平相當，是今天經典臺式機速度的一萬倍。據科學家估計，一臺50比特的量子計算機，在處理一些特定問題時，計算速度將超越現有最強的超級計算機。

多種發展方案未來可期

量子計算機是宏觀尺度的量子器件，環境不可避免會導致量子相干性的消失(即消相干)，一旦量子特性被破壞，將導致量子計算機并行運算能力基礎消失，變成經典的串行運算，這是量子計算機研究的主要障礙。

即便量子計算機的研究已經出現諸多成果，但還處在早期發展的階段。倘若類比經典計算機，今天的量子計算機幾乎是位于經典計算機的電子管時代，就連最底層的物理載體還沒有完全形成。

目前主流的技術路徑有超導、半導、離子阱、光學以及量子拓撲這五個方向，前四種路徑均已制作出物理原型機。各國科學家研究比較多、也相對成熟的有超導量子計算、半導量子點量子計算等。

超導量子計算的核心單元是一種“超導體－絕緣體－超導體”三層結構的約瑟夫森結電子器件，類似晶體管的PN結。其中間絕緣層的厚度不超過10納米，能夠形成一個勢壘，超導電子能夠隧穿該勢壘形成超導電流。與其他量子體系相比，超導量子電路的能級結構可通過對電路的設計進行定制，或通過外加電磁信號進行調控。而且，基于現有的集成電路工藝，約瑟夫森結量子電路還具有可擴展性。這些優點使超導量子電路成為實現可擴展量子計算最有前景的物理方案之一。

量子點量子計算，是利用了半導體量子點中的電子自旋作為量子比特。量子點是一種有著三維量子強束縛的半導體異質結結構，其中電子的能級是分立的，類似于電子在原子中的能級結構，因此被稱為“人造原子”。量子比特編碼在電子的自旋態上，使用微波脈沖或者純電學的方法進行單量子比特操控。量子點方案的優點則是量子位可以是嵌套在固態量子器件上，這與經典計算機的大規模集成電路的設計相似，被認為是最有可能實現大規模量子計算機的候選方案。

量子計算機的運算速度取決于其能夠操控的量子比特數。由于消相干的存在，操控量子比特難免出現錯誤，從而計算失效。以超導量子計算為例，一億次的操控最多只允許犯一次錯誤。操控量子比特難度如此之大，以至于早期許多科學家認為量子計算機不可能制造出來。

目前而言，超導量子芯片要比半導體量子芯片發展得更快。2019年，谷歌公司發布了53個超導量子比特的量子計算原型機“懸鈴木”。2020年12月4日，中國科大潘建偉團隊構建起76個光量子的量子計算原型機“九章”，處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。