全球首款能集成量子相互作用的計(jì)算機(jī)芯片誕生

澳大利亞新南威爾士大學(xué)UNSW的研究人員設(shè)計(jì)出一種能集成量子相互作用的計(jì)算機(jī)芯片。研究人員重新設(shè)計(jì)硅微處理器，為“難以捉摸”的量子計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。該研究團(tuán)隊(duì)甚至建議使用現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程和組件制造芯片。如果成功，該處理器能夠高效完成復(fù)雜計(jì)算解決的科學(xué)問(wèn)題，如氣候變化或醫(yī)學(xué)研究，也適用于無(wú)縫加密通信。

這項(xiàng)顛覆式的研究意味著未來(lái)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，可以將人們熟悉的各種電腦、智能手機(jī)，集合成量子計(jì)算機(jī)里的芯片處理器。運(yùn)算能力、速度尤其是運(yùn)算功能將有本質(zhì)上的飛躍。

計(jì)算機(jī)時(shí)代，也將從目前的電子計(jì)算機(jī)時(shí)代，一躍飛升至量子計(jì)算機(jī)時(shí)代！

這種設(shè)計(jì)采用了傳統(tǒng)的硅晶體管開(kāi)關(guān)，在一個(gè)巨大的二維數(shù)組中，利用基于網(wǎng)格的“字節(jié)”和“比特”選擇協(xié)議，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片中選擇比特，類(lèi)似于“打開(kāi)”操作。通過(guò)選擇一個(gè)量子位元以上的電極，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以我們運(yùn)用電子探針控制一個(gè)量子位元的自旋，它儲(chǔ)存一個(gè)0或1的量子二進(jìn)制碼。通過(guò)在量子比特之間選擇電極，可以在量子位之間執(zhí)行兩比特邏輯相互作用或計(jì)算。量子位可以以二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)信息，如0、1或0和1的任意組合。量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)存儲(chǔ)多個(gè)值，也可以同時(shí)處理多個(gè)操作。這使量子計(jì)算機(jī)在解決一系列重要問(wèn)題時(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快數(shù)百萬(wàn)倍。

做芯片研究的Andrew Dzurak教授說(shuō)：“我們通常認(rèn)為登陸月球是人類(lèi)最偉大的科技奇跡。但建立一個(gè)可以放在口袋里并且有十億個(gè)操作裝置集成工作的微處理器芯片，就是一項(xiàng)驚人的技術(shù)成就，這是現(xiàn)代生活的革命。在量子計(jì)算方面，我們正處在另一個(gè)技術(shù)飛躍的邊緣，它可能是深刻而有變革性的。但在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的完整工程設(shè)計(jì)一直十分困難。我想我們正在新南威爾士大學(xué)做的研究讓它成為現(xiàn)實(shí)。最重要的是，它可以在一個(gè)現(xiàn)代化的半導(dǎo)體制造廠(chǎng)生產(chǎn)?！?/p>

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，微芯片可以為創(chuàng)造無(wú)數(shù)量子比特鋪平道路。

研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)隊(duì)Menno Veldhorst教授說(shuō)：“值得注意的是，今天的計(jì)算機(jī)芯片需要但無(wú)法解決的量子效應(yīng)問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)可以解決?！?/p>

人們普遍認(rèn)為，解決解決全球重大挑戰(zhàn)問(wèn)題時(shí)需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特同時(shí)工作。為做到這一點(diǎn)，我們需要把量子比特封裝在一起并集成它們，就像我們使用現(xiàn)代微處理器芯片一樣。這就是這種新設(shè)計(jì)的目的。但要解決復(fù)雜的問(wèn)題，一個(gè)有用的通用量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的量子比特。

Dzurak教授解釋說(shuō)：“所以我們需要使用糾錯(cuò)采用多比特存儲(chǔ)一塊數(shù)據(jù)代碼。我們的芯片藍(lán)圖集成了一種專(zhuān)為自旋量子位設(shè)計(jì)的新型糾錯(cuò)碼，它涉及數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的量子比特的復(fù)雜操作協(xié)議。這是第一次嘗試集成一個(gè)芯片來(lái)控制和讀取量子計(jì)算所需的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的量子比特所需的所有傳統(tǒng)硅電路。我們預(yù)計(jì)，在其進(jìn)入制造業(yè)的過(guò)程中，仍然需要對(duì)這種設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，但量子計(jì)算所需的所有關(guān)鍵組件都在一個(gè)芯片中?！?/p>

該小組下一步將根據(jù)該設(shè)計(jì)在該大學(xué)建立一個(gè)量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)，并聲稱(chēng)它將在兩年內(nèi)投入使用。一旦建成，電腦的能力意味著它將不得不回答許多科學(xué)問(wèn)題的能力；創(chuàng)造新的救命藥；解決最令人難以置信的科學(xué)問(wèn)題；解開(kāi)最遠(yuǎn)最深的空間未知的奧秘；解決了普通電腦將需要數(shù)億年的時(shí)間來(lái)計(jì)算一些的問(wèn)題。”

先來(lái)科普一下量子計(jì)算機(jī)的原理：我們都知道目前計(jì)算機(jī)采用二級(jí)制（0和1），而量子計(jì)算機(jī)卻采用無(wú)限并行運(yùn)算，量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵就在于同時(shí)能疊加量子比特的多少，量子比特疊加得越多，并行運(yùn)算能力越強(qiáng)，而且是指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

如果把傳統(tǒng)的電子線(xiàn)性計(jì)算方式，比作萬(wàn)只蝸牛排隊(duì)過(guò)獨(dú)木橋，那么量子并行運(yùn)算就是萬(wàn)只飛鳥(niǎo)同時(shí)升上天空。

當(dāng)前世界各地已對(duì)多種架構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，并且爭(zhēng)相推出首個(gè)集成了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)“量子比特”的量子計(jì)算機(jī)處理器。目前以谷歌、微軟、IBM、英特爾、荷蘭QuTech等為首的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，都還在為20～49個(gè)量子比特級(jí)拼命。其中包括硅自旋量子比特、離子阱、超導(dǎo)循環(huán)、鉆石空缺、以及拓補(bǔ)量子比特。遺憾的是，在上述所有架構(gòu)中，量子位都相當(dāng)脆弱、很容易產(chǎn)生計(jì)算錯(cuò)誤。

而且量子比特很容易收到干擾，這也在很大程度上制約了量子計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的進(jìn)一步突破。澳大利亞新南威爾士大學(xué)這個(gè)量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目，宣布攻克的正是這個(gè)看似不可能突破的科技邊界。如果真能實(shí)現(xiàn)的話(huà)，那么毫無(wú)疑問(wèn)這將是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最重要的一次飛越，人類(lèi)科技史上也將是最重要的發(fā)明之一。