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大数据呼唤 超导量子计算成竞争高地

导读: 关于信息技术进步的速度,大家都听说过“摩尔定律”——每十八个月,集成电路芯片上所集成的电路的数目就翻一倍,虽然这并不是一个严谨的科学定律,但是也反应了在信息化大数据时代,人类对计算能力指数增长的期待。

01 大数据时代下呼唤量子计算机

关于信息技术进步的速度,大家都听说过“摩尔定律”——每十八个月,集成电路芯片上所集成的电路的数目就翻一倍,虽然这并不是一个严谨的科学定律,但是也反应了在信息化大数据时代,人类对计算能力指数增长的期待。

但可以肯定的是,现有基于半导体芯片技术的经典计算机,芯片集成密度不可能永远增加,总会趋近于物理极限,应付日益增长的数据处理需求可能越来越困难。尤其是面对一些如大数分解、量子多体系统的模拟等极端复杂的计算问题,真要等经典计算机算出来,可能已经过去了成千上万年。因此,人类必须要探索一种全新的、计算能力超越现有经典计算机的新一代计算机,而量子计算便是其中最受瞩目的方向之一。

我们知道,经典计算机是用所谓的“比特”表示信息位,这个比特呢,要么是0,要么是1。量子计算机同样是需要用“比特”来表示信息位,但是他的奇异之处在于,这个比特可以处于0和1之间任意比例的叠加态,这就是我们经常听到的“量子叠加”。这意味着什么呢?我们来做一个简单的小对比:假设一台经典计算机有两个比特,在某一时刻,它最多只能表示00、10、01、11这四种可能性的一种;而量子计算由于叠加性,可以写成

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也就是说,它可以同时表示四种信息状态。别小看这多出来的三倍信息,我们可以想象,如果不止两个比特呢?

对于经典计算机来说,N个比特只可能处在2N个状态中的一种情况,而对于量子比特来说,N个量子比特可以处于2N个态任意比例叠加。理论上,如果我们对N个比特的量子叠加态进行运算操作,可能等于同时操控2N个态。也就是说,随着可操纵比特数增加,信息的存储量和运算的速度会呈指数增加,经典计算机将望尘莫及。据科学家估计,一台50比特的量子计算机,在处理一些特定问题时,计算速度将超越现有最强的超级计算机。

02实现起来不简单

既然量子计算机听上去这么牛掰,怎么不赶紧问世呢?那是因为量子计算机实现起来非常困难。微观粒子的量子特性往往十分脆弱,容易被外界温度、电磁场干扰,非常难以被操控和观测。数十年来,科学家尝试了各种可能的方案来实现量子计算机,包括超导电路、光子,冷原子、离子阱、光晶格、量子点、核磁共振等等。其中超导量子计算方案是近年来备受关注的一种。

超导体系用于实现量子计算有一些独特的优点:在超导体这种特殊系统中,电子不再被看作是一个个微不可分、飘忽不定的粒子,被“凝固”成一个整体的态,使得神秘的量子特性可以在宏观大小的超导线路上直接观测到;在实验中,超导量子处理器制备在一个几毫米大小的固体芯片上,利用成熟的微纳加工工艺,可以设计制备各种超导量子线路,也便于集成化。

03超导量子计算机长啥样

大家知道,现在的经典计算机里的器件是一些半导体晶体管,对于一个经典的CPU来说,电压的高低就代表了“0”或“1”,而通过这些半导体元件和线路就可以实现诸如“与”、“非”、“或”等各种逻辑运算。

同样的道理,超导线路构成的量子“CPU”也一样需要这些元件,然而这些元件都是超导体系特有的非线性元件,比如由超导材料组成的电容、电感以及约瑟夫森结。其中,最有意思的就数这个约瑟夫森结了。

在之前有关超导的科普中,小墨和大家提过这个叫做约瑟夫森结的神奇的物件,它就像一个三明治——两个导体夹着一层薄薄的绝缘体,电流居然可以贯穿其中。其实,由于量子力学原理,这个约瑟夫森结还有很多神奇的效应,在温度很低的情况下,电子的行为可以看做一个二能级系统,这个二能级系统就像电子居住的两层楼——它可能住上面一层,可能住下面一层,还可能两层同时住,即住在“叠加态”,这就是一个很好的量子比特啦。此外,电子的电荷状态也可以用0、1或0和1的叠加态来表示,这两种方式都可以用来很好地表示量子比特位。基于这个基本单元,再加上电容、电感来实现量子比特间的耦合,原则上可以实现不同需求的量子计算。

大数据呼唤 超导量子计算成竞争高地

实际实现起来,超导量子计算机有一个很大的优势,约瑟夫森结以及构成超导电路的其他部件都是采用光刻、电子束曝光、沉积镀膜、刻蚀等一系列薄膜微纳加工技术制备的,所有这些工艺步骤都与现有半导体芯片加工工艺非常类似,所以超导量子器件易于加工、集成、组装,甚至在设计、仿真等阶段都可以借鉴或使用现有的成熟半导体芯片技术手段,所以超导量子计算机相对容易实现大规模集成化。

但是,超导量子比特是个娇贵的“豌豆姑娘”,它的量子态很脆弱,微小的外界扰动都会破坏量子态,所以需要严格避免外界噪声干扰,以提高超导量子比特的寿命。通常,超导量子计算机处理器安装在一台特殊制冷机内部,冷却到零下273.13℃(20mK),并加上各种隔离外界噪声的屏蔽措施,只有在一个极稳定的环境中,超导器件自身微弱的量子特性才体现出来。然后,我们通过连接到量子处理器的控制和探测线路对量子“CPU”上每个量子比特进行操控,实现各种量子算法,完成复杂的计算任务。

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