還差一“芯”

量子計(jì)算機(jī)的前景固然光明，但要真正實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，還要解決一系列的現(xiàn)實(shí)困境。

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

量子計(jì)算本質(zhì)性地利用了量子力學(xué)的特性，因此其實(shí)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(jì)算機(jī)演變成經(jīng)典計(jì)算機(jī)。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(jì)算機(jī)也無法實(shí)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(huì)有更多；編碼也很重要，它保障信息不會(huì)被破壞而出錯(cuò)，這一度很困擾我們，但是現(xiàn)在我們把這個(gè)問題解決了。”郭光燦表示，在量子編碼出現(xiàn)以后，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)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(shí)日。

“量子計(jì)算機(jī)首先要有硬件，新一代的D-WaveⅡ號(hào)稱有512個(gè)Qubit集成計(jì)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(shí)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(gè)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(gè)量子處理器的芯片，電子計(jì)算機(jī)就望塵莫及了。”郭光燦說，但是要做到這個(gè)地步還很遠(yuǎn)，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(diǎn)方案和超導(dǎo)的方案”。

郭光燦介紹說，離子阱方案是用一個(gè)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(gè)兩能級(jí)體系作為量子比特。該方案可以達(dá)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(diǎn)方案是一種“很自然”的方案，當(dāng)每個(gè)晶體管最終縮小到只容納一個(gè)電子時(shí)，稱之為單電子晶體管（量子點(diǎn)），此時(shí)可以用單個(gè)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(diǎn)芯片這一方案的優(yōu)勢(shì)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(shì)，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(gè)電子的量子態(tài)很難，而要把量子態(tài)測(cè)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(diǎn)

國(guó)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(guó)曾計(jì)劃在10年之內(nèi)做出10個(gè)量子比特的處理器芯片，這意味著屆時(shí)微電子平臺(tái)做量子芯片已經(jīng)靠譜了。”郭光燦說，不僅美國(guó)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都意圖在量子計(jì)算機(jī)技術(shù)上搶占制高點(diǎn)。

劉伍明告訴記者，日本等國(guó)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(huì)社。另外，微軟、IBM、貝爾實(shí)驗(yàn)室在量子計(jì)算機(jī)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(huì)覺得這是能夠盈利的，而我國(guó)企業(yè)在高科技投入方面還比較少。”劉伍明說。

現(xiàn)實(shí)的情況是，由于我國(guó)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片方面長(zhǎng)期落后，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，計(jì)算機(jī)芯片主要依賴進(jìn)口，目前已位列所有進(jìn)口產(chǎn)品的第一位，受制于人。

“在后摩爾時(shí)代量子計(jì)算來臨的新的歷史機(jī)遇面前，我們必須掌握核‘芯’技術(shù)，在未來的量子計(jì)算時(shí)代擁有中國(guó)‘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。