量子計(jì)算正在快步走來

 

量子位元與二進(jìn)制元

所謂的“量子位元(Quantum bits)”是量子力學(xué)的單位，“量子位元”和目前一般計(jì)算機(jī)科技普遍使用的“二進(jìn)制元(Binary bits)”有所不同，二進(jìn)制元只能是 0 或是 1 擇一，而量子位元可以同時(shí)具有 0 和 1 值。 

 

量子芯片難在哪里？

根據(jù)英特爾的介紹，量子計(jì)算的構(gòu)建模塊(也就是量子位)相當(dāng)脆弱，只能在極低的溫度（20millikelvin，接近絕對(duì)零度）下運(yùn)行，比外太空低 250 倍，而且封裝時(shí)要求很高，必須預(yù)防數(shù)據(jù)丟失。英特爾俄勒岡和亞利桑那的團(tuán)隊(duì)找到一種新方法，使芯片的架構(gòu)在更高溫度下更可靠，量子位之間的射頻干擾更小，防止噪音和溫度升高對(duì)整體數(shù)據(jù)的影響，與引線鍵合(wire-bonded)芯片相比，新芯片發(fā)送接收的信號(hào)多出 10-100 倍，設(shè)計(jì)更好，可以用在更大的量子集成電路上，它比傳統(tǒng)硅芯片大很多。

 

英特爾 17 量子位量子計(jì)算測試芯片，金色的連接器允許芯片連接到量子計(jì)算機(jī)外

 

量子計(jì)算有多快

理論上，2 個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，每一步可做到 2 的 2 次方，也就是 4 次運(yùn)算，所以 17 量子位芯片每一步就達(dá)到 2 的 17 次方，也就是 131072 次，較酷睿 i7 提升了 6 萬倍；而 49 量子位芯片每一步可達(dá) 2 的 49 次方，秒殺超算計(jì)算機(jī)。

 

巨頭競賽

目前量子計(jì)算基本上是谷歌、IBM、英持爾之間的競賽。

 

1、谷歌

谷歌的工作基于加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授約翰·馬提尼斯（John Martinis）的研究。John Martinis 現(xiàn)在是谷歌量子計(jì)算芯片團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。

 

2017 年 4 月，該團(tuán)隊(duì)展示了一種全新的量子芯片，6 個(gè)量子位芯片的突破性在于這些量子位被安置為一個(gè) 2X3 的結(jié)構(gòu)中。谷歌量子計(jì)算芯片團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 John Martinis 表示，這意味著在網(wǎng)狀放置的結(jié)構(gòu)中，依然可以保持量子位的可用性，這為今后實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜裝置奠定了基礎(chǔ)。

 

6 量子比特的芯片同樣也驗(yàn)證了凸點(diǎn)鍵合這一核心工藝的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)工藝是將量子比特與控制線路集成在一起形成量子芯片，而凸點(diǎn)鍵合工藝則是將量子比特和控制線路分別制作于兩個(gè)不同芯片上，然后將兩個(gè)芯片對(duì)應(yīng)的凸點(diǎn)鍵合在一起，形成量子計(jì)算芯片。這種工藝不僅大幅提高了量子計(jì)算芯片的可擴(kuò)展性；同時(shí)，還可以減少芯片中的控制線路，降低線路對(duì)量子比特的干擾。

 

Martinis 表示要在 2017 年底要制造出擁有 49 個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)。目前沒有獲得消息。

 

2、IBM

IBM 的成果基于耶魯大學(xué)教授羅伯特·施羅科夫（Robert Schoelkopf）的研究，而 IBM 的團(tuán)隊(duì)中也有他的多名博士生和研究生。

 

2016 年 5 月，IBM 發(fā)布了一臺(tái) 5 個(gè)量子位的機(jī)器以及全球首個(gè)量子計(jì)算云服務(wù)。

 

2017 年 5 月，IBM 展示了首個(gè)包含 17 個(gè)量子位的芯片。

 

2017 年 11 月 12 日，IBM 宣布成功研發(fā)出 20 量子位的量子計(jì)算機(jī)，并成功建成并測試全球首臺(tái) 50 個(gè)量子位的量子計(jì)算原型機(jī)。

 

3、英特爾 /QuTech

2015 年 9 月，當(dāng)時(shí)英特爾與 QuTech 簽署合作協(xié)議：一是投資 5 千萬美元給 QuTech。二是提供技術(shù)支援，合作期間長達(dá) 10 年；英特爾工程師入駐荷蘭實(shí)驗(yàn)室共同合作開發(fā)量子計(jì)算機(jī)，并分享一些關(guān)于計(jì)算機(jī)芯片開發(fā)以及處理器架構(gòu)的知識(shí)，英特爾將負(fù)責(zé)開發(fā)由硅和鍺晶體管所組成的芯片，提供給 QuTech 來開發(fā)量子計(jì)算機(jī)。三是提供 QuTech 研究團(tuán)隊(duì)有關(guān)超低溫電子技術(shù)。超低溫電子技術(shù)將可以與量子位元相互結(jié)合，是量子計(jì)算機(jī)開發(fā)過程中需要的運(yùn)用與測量需求的重要技術(shù)。

 

QuTech 是家專門研發(fā)量子計(jì)算機(jī)(Quantum computer)的研究機(jī)構(gòu)，是由 TU Delft 科技大學(xué)與荷蘭工研院 TNO 共同合作的結(jié)晶。

 

科再奇表示：“量子計(jì)算有望解決當(dāng)今幾乎無法攻克的難題。比如，量子計(jì)算機(jī)可以模擬自然，從而推進(jìn)化學(xué)、材料科學(xué)和分子建模的研究，如參與創(chuàng)造一個(gè)新的催化劑來隔離二氧化碳、開發(fā)房間溫度超導(dǎo)體，或者發(fā)現(xiàn)新的藥物。量子計(jì)算有著能增強(qiáng)未來高性能計(jì)算機(jī)功能的巨大潛力。”

 

2017 年 10 月提供向 QuTech 交付首顆 17 量子位的測試芯片僅僅只有三個(gè)月的時(shí)間。

 

2018 年交付首個(gè) 49 量子位量子計(jì)算測試芯片。

 

中國的進(jìn)展

2016 年，中國科技大學(xué)成功研發(fā)出基于砷化鎵的 3 個(gè)量子位芯片。

 

2016 年，中國科技大學(xué)成功研發(fā)出基于砷化鎵的 3 個(gè)量子位芯片。目前，我國自主研發(fā)的超導(dǎo)量子線路樣品也僅僅到 10 量子位。

 

在 2017 年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制了 2 臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，一臺(tái)基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)有 10 個(gè)量子比特。另一臺(tái)基于線性光學(xué)，達(dá)到 5 個(gè)量子比特。

 

中科院正在研制中國首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，可能還需要幾年時(shí)間。 

 

后記

未來的計(jì)算機(jī)，乃至 AI 會(huì)不會(huì)真的實(shí)現(xiàn)取代人類呢？當(dāng)然，目前量子技術(shù)還主要處于實(shí)驗(yàn)階段，要實(shí)現(xiàn)商用還有很長的路要走。

 

有專家表示，“量子計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，一旦成功研發(fā)，就可以破解現(xiàn)在所有的密碼，另外它還可以解決大數(shù)據(jù)等等問題。”