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摩爾定律終結(jié)后量子計算將擔(dān)重任

我快閉嘴 ? 來源:科技日報 ? 作者:吳長鋒 ? 2021-02-25 11:36 ? 次閱讀

一臺30個量子比特的量子計算機(jī)的計算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的經(jīng)典計算機(jī)水平相當(dāng)。據(jù)科學(xué)家估計,一臺50比特的量子計算機(jī),在處理一些特定問題時,計算速度將超越現(xiàn)有最強(qiáng)的超級計算機(jī)。

早在20世紀(jì)80年代,美國著名物理學(xué)家費曼提出了按照量子力學(xué)規(guī)律工作的計算機(jī)的概念,這被認(rèn)為是最早的量子計算機(jī)的構(gòu)想,此后科技界就沒有停止過探索。

近年來,量子計算機(jī)領(lǐng)域頻頻傳來重要進(jìn)展:美國霍尼韋爾公司表示研發(fā)出64量子體積的量子計算機(jī),性能是上一代的兩倍;2020年底,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授等人成功構(gòu)建76個光子的量子計算機(jī)“九章”;2月初,我國本源量子計算公司負(fù)責(zé)開發(fā)的中國首款量子計算機(jī)操作系統(tǒng)“本源司南”正式發(fā)布……

作為“未來100年內(nèi)最重要的計算機(jī)技術(shù)”“第四次工業(yè)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(shù)水平在想象力所及范圍之內(nèi)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(jié)后量子計算將擔(dān)重任

20世紀(jì)60年代,平面型集成電路問世,光刻技術(shù)成為了半導(dǎo)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(yīng)提高。因此,平面工藝被認(rèn)為是“半導(dǎo)體的工業(yè)鍵”,也是摩爾定律問世的技術(shù)基礎(chǔ)。

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(shù)目就翻一倍。雖然這并不是一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)定律,但在一定程度上反映了信息化大數(shù)據(jù)時代人類對計算能力指數(shù)增長的期待。

隨著芯片集成度不斷提高,我們的手機(jī)電腦電子產(chǎn)品也在不斷更新?lián)Q代。那么,摩爾定律會不會被終結(jié)?

摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)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(fā)熱主要是因為計算機(jī)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(chǎn)生相應(yīng)熱量,操作速度越快,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越多,計算機(jī)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?zé)龎摹?/p>

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

鑒于以上兩點,物理學(xué)家預(yù)言摩爾定律終將終結(jié)。現(xiàn)有基于半導(dǎo)體芯片技術(shù)的經(jīng)典計算機(jī),芯片集成密度不可能永遠(yuǎn)增加,總會趨近于物理極限,應(yīng)付日益增長的數(shù)據(jù)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(jīng)集成了一億個晶體管。我國的太湖之光超級計算機(jī),大約用了四萬多個CPU。如果摩爾定律終結(jié),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(shù)提升

給經(jīng)典計算機(jī)帶來障礙的量子效應(yīng),反而成為了量子計算機(jī)的助力。

費曼認(rèn)為微觀世界的本質(zhì)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(xué)和計算機(jī)理論聯(lián)系到一起,提出了基于量子態(tài)疊加等原理的量子計算機(jī)概念。

比特是信息操作的基本單元,基于量子疊加態(tài)原理,科學(xué)家們嘗試用量子比特取代經(jīng)典比特。

經(jīng)典比特有且僅有兩個可能的狀態(tài),經(jīng)常用“0”和“1”來表示,就好比一個開關(guān),只有開和關(guān)兩個狀態(tài)。而量子比特就好比一個旋鈕,是連續(xù)可調(diào)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(tài),可以處于0和1之間任意比例的疊加態(tài)。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(dāng)你把它快速旋轉(zhuǎn)起來,你看到的既是正面,又是背面。于是,一臺量子計算機(jī)就像許多硬幣同時翩翩起舞。

假設(shè)一臺經(jīng)典計算機(jī)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(tài)。

對于經(jīng)典計算機(jī)來說,N個比特只可能處在2N個狀態(tài)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(tài)任意比例疊加。理論上,如果對N個比特的量子疊加態(tài)進(jìn)行運算操作,等于同時操控2的N次方個狀態(tài)。隨著可操縱比特數(shù)增加,信息的存儲量和運算的速度會呈指數(shù)增加,經(jīng)典計算機(jī)將望塵莫及。

有報道指出,一臺30個量子比特的量子計算機(jī)的計算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的經(jīng)典計算機(jī)水平相當(dāng),是今天經(jīng)典臺式機(jī)速度的一萬倍。據(jù)科學(xué)家估計,一臺50比特的量子計算機(jī),在處理一些特定問題時,計算速度將超越現(xiàn)有最強(qiáng)的超級計算機(jī)。

多種發(fā)展方案未來可期

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

即便量子計算機(jī)的研究已經(jīng)出現(xiàn)諸多成果,但還處在早期發(fā)展的階段。倘若類比經(jīng)典計算機(jī),今天的量子計算機(jī)幾乎是位于經(jīng)典計算機(jī)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(shù)路徑有超導(dǎo)、半導(dǎo)、離子阱、光學(xué)以及量子拓?fù)溥@五個方向,前四種路徑均已制作出物理原型機(jī)。各國科學(xué)家研究比較多、也相對成熟的有超導(dǎo)量子計算、半導(dǎo)量子點量子計算等。

超導(dǎo)量子計算的核心單元是一種“超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體”三層結(jié)構(gòu)的約瑟夫森結(jié)電子器件,類似晶體管的PN結(jié)。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(dǎo)電子能夠隧穿該勢壘形成超導(dǎo)電流。與其他量子體系相比,超導(dǎo)量子電路的能級結(jié)構(gòu)可通過對電路的設(shè)計進(jìn)行定制,或通過外加電磁信號進(jìn)行調(diào)控。而且,基于現(xiàn)有的集成電路工藝,約瑟夫森結(jié)量子電路還具有可擴(kuò)展性。這些優(yōu)點使超導(dǎo)量子電路成為實現(xiàn)可擴(kuò)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(dǎo)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(qiáng)束縛的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),其中電子的能級是分立的,類似于電子在原子中的能級結(jié)構(gòu),因此被稱為“人造原子”。量子比特編碼在電子的自旋態(tài)上,使用微波脈沖或者純電學(xué)的方法進(jìn)行單量子比特操控。量子點方案的優(yōu)點則是量子位可以是嵌套在固態(tài)量子器件上,這與經(jīng)典計算機(jī)的大規(guī)模集成電路的設(shè)計相似,被認(rèn)為是最有可能實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機(jī)的候選方案。

量子計算機(jī)的運算速度取決于其能夠操控的量子比特數(shù)。由于消相干的存在,操控量子比特難免出現(xiàn)錯誤,從而計算失效。以超導(dǎo)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(xué)家認(rèn)為量子計算機(jī)不可能制造出來。

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

不過,無論是“懸鈴木”還是“九章”,目前都只是僅能夠處理運算特定數(shù)學(xué)問題的“原型機(jī)”。而我們的“星辰大海”是造出有大規(guī)模容錯能力的通用量子計算機(jī)。畢竟,量子時代的“未來已來”,超強(qiáng)的量子計算值得期待。
責(zé)任編輯:tzh

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