量子計算機(jī)研究(上)

量子計算機(jī) 量子計算機(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間處于兩個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，也能同時代表0和1以及0和1之間的中間值，故無論從數(shù)據(jù)存儲還是處理的角度，量子位的能力都是晶體管電子位的兩倍。對此，有人曾經(jīng)作過這樣的比喻：假設(shè)一只老鼠準(zhǔn)備繞過一只貓，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，它要么從左邊過，要么從右邊過，而根據(jù)量子理論，它卻可以同時從貓的左邊和右邊繞過。 量子計算機(jī)在外形上有較大差異，它沒有盒式外殼；看起來像是一個被其它物質(zhì)包圍的巨大磁場；它不能利用硬盤實現(xiàn)信息的長期存儲；但高效的運(yùn)算能力使量子計算機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。 如何實現(xiàn)量子計算，方案并不少，問題是在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了。這些計算機(jī)機(jī)異常敏感，哪怕是最小的干擾--比如一束從旁邊經(jīng)過的宇宙射線--也會改變機(jī)器內(nèi)計算原子的方向，從而導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。目前，量子計算機(jī)只能利用大約5個原子做最簡單的計算。要想做任何有意義的工作都必須使用數(shù)百萬個原子。

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

《自然》雜志官網(wǎng)

科技日報北京1月23日電 ：量子計算機(jī)由于強(qiáng)大的計算潛能和由此獲得的廣泛用途而“引無數(shù)英雄競折腰”。在這個群雄爭霸的量子計算機(jī)戰(zhàn)國時代，各路英豪各出奇招，提出了不同的量子計算機(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”。

而另一種比較低調(diào)的方法——用硅制造量子計算機(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《自然》雜志近日報道，半導(dǎo)體巨頭英特爾公司已經(jīng)研制出了首臺采用傳統(tǒng)計算機(jī)硅芯片制造技術(shù)的量子計算機(jī)。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，用硅制造量子計算機(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，距離真正研制出實用的硅量子計算機(jī)，還需時日。

硅量子技術(shù)春天到來

目前，許多實驗室已經(jīng)開發(fā)出了量子計算機(jī)原型，但它們通常要在接近絕對零度的溫度下工作。這場計算競賽中的領(lǐng)跑者通常使用下列兩種方法之一來編碼量子位：利用被囚禁在勢阱中的單離子，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)來讀寫每個量子位，超導(dǎo)量子位則必須各有一個裝置來用無線電波控制它們。

而硅技術(shù)的擁躉看到了使用半導(dǎo)體來編碼量子位的巨大優(yōu)勢。比如，這樣的量子位可以更簡單地利用蝕刻在芯片上的微型電線來操控；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)品將會變得更容易。

上海交通大學(xué)教授金賢敏對科技日報記者說：“采用硅晶體管開發(fā)量子位，還有一個原因在于，相對于超導(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，因為它們使用的量子效應(yīng)非常脆弱，即使對設(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，首臺采用傳統(tǒng)計算機(jī)硅芯片制造技術(shù)的量子計算機(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。

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)隊也在開發(fā)用硅制造量子計算機(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，用硅制造量子計算機(jī)的想法并不新鮮。早在20年前，美國馬里蘭大學(xué)帕克分校的實驗物理學(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）來編碼量子位。與此同時，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)部移動電子的自旋來存儲信息的方法。

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

鑒于此，近年來，西蒙斯擔(dān)任“掌門人”的新南威爾士大學(xué)量子計算和通信技術(shù)中心做了大量基礎(chǔ)工作，他們開發(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題。無獨有偶，2017年，佩塔和代爾夫特大學(xué)的利芬·萬德斯潘分別領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊均獲得了里程碑式進(jìn)展——他們設(shè)計出了第一個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投資5000萬美元，目前，該公司正為萬德斯潘研制多量子位電子自旋設(shè)備。英特爾量子硬件開發(fā)負(fù)責(zé)人詹姆斯·克拉克說：“我們希望通過加速自旋量子位來與更成熟的方法競爭?！?

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

金賢敏也對科技日報記者表示：“即使超導(dǎo)量子比特風(fēng)頭正勁，似乎更有希望，但其實其錯誤率等問題仍然很大，前景不容樂觀。盡管硅量子計算目前能實現(xiàn)的量子位數(shù)最少，量子門實現(xiàn)的時間最晚，但成熟的硅基工藝卻為未來的成長潛力提供了很大的想象空間?！?

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