出品：科普中國

制作：鐵流

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

日前，中國量子計(jì)算機(jī)取得突破性進(jìn)展，中國科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲(chǔ)，量子芯片相當(dāng)于未來量子計(jì)算機(jī)的大腦，研制成功后可實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算和信息處理，量子儲(chǔ)存則有助于實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離量子態(tài)量子信息傳輸。那么量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有什么優(yōu)勢(shì)?本次成功研究的量子芯片距離真正實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)呢?

圖1 量子芯片研發(fā)成功

量子計(jì)算有何優(yōu)勢(shì)

目前，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)展中已經(jīng)逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問題，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能增長越來越困難。因此，探索全新物理原理的高性能計(jì)算技術(shù)的需求就應(yīng)運(yùn)而生。

量子計(jì)算是一種基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式?；驹硎且粤孔游蛔鳛樾畔⒕幋a和存儲(chǔ)的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計(jì)算任務(wù)。

所謂量子位就是一個(gè)具有兩個(gè)量子態(tài)的物理系統(tǒng)，如光子的兩個(gè)偏振態(tài)、電子的兩個(gè)自旋態(tài)、離子(原子)的兩個(gè)能級(jí)等都可構(gòu)成量子位的兩個(gè)狀態(tài)——晶體管只有開/關(guān)狀態(tài)，也就是要么是0狀態(tài)，要么是1狀態(tài);而基于量子疊加性原理，一個(gè)量子位可以同時(shí)處于0狀態(tài)和1狀態(tài)。由于量子糾纏的原因——處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子有一個(gè)奇妙特性，一旦對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量確定了它的狀態(tài)，那么就立即知道另一個(gè)粒子所處的狀態(tài),因此，當(dāng)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時(shí)，疊加的各個(gè)狀態(tài)都可以發(fā)生變化。

舉例來說，因?yàn)?個(gè)量子位同時(shí)表示0和1兩個(gè)狀態(tài)，7個(gè)這樣的量子態(tài)就可以同時(shí)表示128個(gè)狀態(tài)。N個(gè)量子位可同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長。同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)操作一次等效于電子計(jì)算機(jī)要進(jìn)行2的N次方次操作的效果……等于是一次演化相當(dāng)于完成了2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，這就是量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算機(jī)具有極大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超并行計(jì)算能力。例如，求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能需要上千年的時(shí)間來完成，而量子計(jì)算機(jī)原則上可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。因此，量子計(jì)算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。

(半導(dǎo)體量子芯片由郭光燦院士團(tuán)隊(duì)研發(fā))

距離量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)

要構(gòu)建量子計(jì)算式有兩個(gè)要求，一個(gè)是量子邏輯門精度足夠高，另一個(gè)是邏輯比特?cái)?shù)量足夠多。

量子比特可以分為物理比特和邏輯比特。物理比特并不穩(wěn)定，可能現(xiàn)在有10個(gè)物理比特，但很快就喪失了。因此，不得不通過糾錯(cuò)碼過程對(duì)10個(gè)物理比特做冗余，最后生成了一個(gè)邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯(cuò)特性。

量子計(jì)算要產(chǎn)生相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算足夠多的優(yōu)勢(shì)，有效的邏輯比特的數(shù)目必須要大于30的情況下才行，要做出真正的量子計(jì)算機(jī)則需要幾百上千物理比特。而量子技術(shù)需要利用量子相干性才可以做計(jì)算，但每個(gè)量子比特都非常脆弱，很容易被環(huán)境退相干，使量子的相干性喪失，而且退相干的速度隨著體系的擴(kuò)大而呈指數(shù)增加，量子比特越多，退相干速度越快。

為應(yīng)對(duì)量子比特退相干的情況，就必須采用糾錯(cuò)碼技術(shù)，鑒定噪聲的可能狀態(tài)，在假定了噪聲特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建糾錯(cuò)碼系統(tǒng)，構(gòu)建糾錯(cuò)容錯(cuò)的理論體系。

其實(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)也會(huì)發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤，但可以通過糾錯(cuò)碼計(jì)算。而量子計(jì)算機(jī)也是這樣，如果能夠達(dá)到容錯(cuò)預(yù)值(容錯(cuò)預(yù)值不僅僅是對(duì)操作精度，對(duì)噪聲的總體水平有一個(gè)約束的關(guān)系)——外界噪聲低到一定水平，操作達(dá)到一定精度之時(shí)，就可以滿足容錯(cuò)計(jì)算。在精度上，由英國工程和物理科學(xué)研究理事會(huì)(EPSRC)資助的網(wǎng)絡(luò)量子信息技術(shù)中心(NQIT)的科學(xué)家已經(jīng)將量子邏輯門(quantum logic gate)的精度提升至99%;而國內(nèi)由杜江峰院士帶隊(duì)的研究組在傳統(tǒng)的糾錯(cuò)碼下達(dá)到了更高的操作精度，量子邏輯門精度達(dá)到了99.99%，其單比特門精度已經(jīng)滿足容錯(cuò)計(jì)算的需求;本次中國科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的半導(dǎo)體量子芯片精度達(dá)到90%，雖然精度相對(duì)于之前的兩個(gè)數(shù)據(jù)略顯偏低，但用量子糾錯(cuò)碼就可以解決，做到高于量子糾錯(cuò)碼的閾值即可，因此，該量子芯片的精度也達(dá)到了滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度。

之前說過，在精度滿足容錯(cuò)計(jì)算的需求的情況下，有效的邏輯比特的數(shù)目超過30個(gè)就能在計(jì)算性能上取得對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，那么有中國科技大學(xué)研發(fā)出的量子芯片的邏輯比特?cái)?shù)達(dá)到多少呢?據(jù)筆者了解，該量子芯片由砷化鎵材料制造，用量子點(diǎn)(用半導(dǎo)體工藝做出一個(gè)模擬原子能級(jí)的結(jié)構(gòu))實(shí)現(xiàn)量子比特，邏輯比特?cái)?shù)量為3個(gè)，也就是說，只要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，把更多的邏輯比特能達(dá)到滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度，將邏輯比特?cái)?shù)量擴(kuò)大10倍，即可制造出在性能上超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。

另外，半導(dǎo)體方案還有一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)——在理論上沒有制約提升消相干時(shí)間的瓶頸。目前，制約量子計(jì)算的瓶頸之一系統(tǒng)擴(kuò)展難度非常大;還有就是量子態(tài)的消相干時(shí)間，一般情況下只能做到幾納秒，另外還有兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的量子態(tài)的相互作用也比較難。而半導(dǎo)體方案理論上沒有制約提升消相干時(shí)間的技術(shù)瓶頸，科研人員可以沿著這條技術(shù)路線不斷攀登前進(jìn)。

總而言之，雖然在技術(shù)上，中科大量子實(shí)驗(yàn)室成功研制量子芯片是一大技術(shù)突破，但由于系統(tǒng)擴(kuò)展難度非常大，以及消相干時(shí)間方面的瓶頸等因素，建成量子計(jì)算機(jī)依舊任重道遠(yuǎn)。