量子計算機:未來的計算革命 (2)

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量子計算機:未來的計算革命 (2)

還差一“芯”

量子計算機的前景固然光明,但要真正實現(xiàn)量子計算,還要解決一系列的現(xiàn)實困境。

要真正做出來量子計算機,需要滿足三個基本條件:量子芯片、量子編碼和量子算法,它們分別是實現(xiàn)量子計算的物理系統(tǒng)(即硬件)、確保計算可靠性的處理系統(tǒng)和提高運算速度的關(guān)鍵(即軟件)。

量子計算本質(zhì)性地利用了量子力學(xué)的特性,因此其實際應(yīng)用的重要障礙是宏觀環(huán)境不可避免地破壞量子相干性(即所謂消相干問題),使量子計算機演變成經(jīng)典計算機。若不能有效地克服消相干,即使量子芯片(硬件)做成了,量子計算機也無法實際應(yīng)用。

“目前算法已經(jīng)有了大數(shù)分解的Shor算法和數(shù)據(jù)搜索的Grover算法,當(dāng)然以后還會有更多;編碼也很重要,它保障信息不會被破壞而出錯,這一度很困擾我們,但是現(xiàn)在我們把這個問題解決了。”郭光燦表示,在量子編碼出現(xiàn)以后,量子計算機的實現(xiàn)原則上已不存在不可逾越的困難,但量子芯片的突破尚有待時日。

“量子計算機首先要有硬件,新一代的D-WaveⅡ號稱有512個Qubit集成計算,據(jù)說采用的是超導(dǎo)量子比特方案。超導(dǎo)需要在極低溫下實現(xiàn),那么能不能開發(fā)出新材料,比如高溫超導(dǎo)材料,像現(xiàn)在的半導(dǎo)體芯片一樣在室溫下就能使用?這需要一個探索過程。”劉伍明介紹說,目前中科院物理所也在超導(dǎo)材料上作積極嘗試。

“用什么東西做量子芯片,做到什么程度?我認(rèn)為有1000~5000個量子處理器的芯片,電子計算機就望塵莫及了。”郭光燦說,但是要做到這個地步還很遠,所以現(xiàn)在人們用很多辦法來嘗試,“現(xiàn)在比較看好的是離子阱方案、半導(dǎo)體量子點方案和超導(dǎo)的方案”。

郭光燦介紹說,離子阱方案是用一個離子做處理器,然后把很多離子放在“阱”里面,把受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)這樣一個兩能級體系作為量子比特。該方案可以達到很高的保真度,不過其微型化和集成化存在巨大的困難。

半導(dǎo)體量子點方案是一種“很自然”的方案,當(dāng)每個晶體管最終縮小到只容納一個電子時,稱之為單電子晶體管(量子點),此時可以用單個電子的自旋向上和向下態(tài)作為量子比特。郭光燦說,“半導(dǎo)體量子點芯片這一方案的優(yōu)勢在于完全繼承了現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和優(yōu)勢,因而在大規(guī)模集成化和最終應(yīng)用方面可行性更高”。

“但是要在納米領(lǐng)域操作一個電子的量子態(tài)很難,而要把量子態(tài)測量出來而不干擾(電子的量子態(tài)),更難。”郭光燦說,不僅如此,“后續(xù)還要把這些儀器做到芯片里去,談何容易?這是它的難度所在。”

未來戰(zhàn)略制高點

國際芯片巨頭Intel公司曾在其處理器外包裝上打出這樣的字眼:Intel Core Quantum:Qubit Entangled,暗示“未來半導(dǎo)體芯片的核心將是量子芯片”。

“美國曾計劃在10年之內(nèi)做出10個量子比特的處理器芯片,這意味著屆時微電子平臺做量子芯片已經(jīng)靠譜了。”郭光燦說,不僅美國,許多發(fā)達國家都意圖在量子計算機技術(shù)上搶占制高點。

劉伍明告訴記者,日本等國也加大了這方面的投入,不僅政府層面,一些大公司也在介入,例如日本著名的NEC株式會社。另外,微軟、IBM、貝爾實驗室在量子計算機方面也都有大手筆投入。

“公司出資意味著,他們將之視為投資行為。他們會覺得這是能夠盈利的,而我國企業(yè)在高科技投入方面還比較少。”劉伍明說。

現(xiàn)實的情況是,由于我國在傳統(tǒng)計算機芯片方面長期落后,缺乏自主知識產(chǎn)權(quán),計算機芯片主要依賴進口,目前已位列所有進口產(chǎn)品的第一位,受制于人。

“在后摩爾時代量子計算來臨的新的歷史機遇面前,我們必須掌握核‘芯’技術(shù),在未來的量子計算時代擁有中國‘芯’,從現(xiàn)在起就應(yīng)該做好原始創(chuàng)新性、基礎(chǔ)性工作。”郭光燦說。

本文關(guān)鍵詞: 量子計算機 計算革命
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