量子計(jì)算的概括和自旋量子的發(fā)展概述

什么是量子計(jì)算？

先來(lái)科普一下，量子計(jì)算是一種令人興奮的全新計(jì)算模式，它不同于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心、云環(huán)境、PC和其它設(shè)備中的數(shù)字計(jì)算。數(shù)字計(jì)算需要把數(shù)據(jù)編碼為二進(jìn)制數(shù)字（比特位），而量子計(jì)算使用量子位，后者可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)。量子位上的操作可以實(shí)現(xiàn)并行的大量計(jì)算。

量子計(jì)算被認(rèn)為有潛力解決當(dāng)今傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的問(wèn)題?？茖W(xué)家以及各行各業(yè)都期待量子計(jì)算能夠加速化學(xué)或藥物開發(fā)、金融建模，甚至氣候預(yù)測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展。

為了釋放量子計(jì)算的潛力，英特爾在2015年啟動(dòng)了一個(gè)合作研究項(xiàng)目，其目標(biāo)是開發(fā)商業(yè)上可行的量子計(jì)算系統(tǒng)。

雖然已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但是量子計(jì)算研究仍然處于萌芽階段。整個(gè)行業(yè)還處于馬拉松的第一公里，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)新的計(jì)算模式，必須解決很多問(wèn)題，并做出許多架構(gòu)方面的決策。例如，現(xiàn)在還不清楚量子處理器（或量子位）會(huì)采用哪種形式。這就是為何英特爾要押注兩個(gè)重大研究，并對(duì)它們同等的投資。

一種可能的形式就是超導(dǎo)量子位，英特爾在開發(fā)這類測(cè)試芯片中取得快速進(jìn)展，行業(yè)和學(xué)術(shù)界的其它廠商和機(jī)構(gòu)也在追求這種方案?；谧陨淼墓?a target="_blank">晶體管制造專長(zhǎng)，英特爾還在研究另一種替代結(jié)構(gòu)。這種替代架構(gòu)被稱作“自旋量子位”，其在硅片上運(yùn)行，可以克服一些量子計(jì)算從研究到實(shí)用的障礙。

英特爾公司在其300毫米制程技術(shù)上創(chuàng)造了一個(gè)自旋量子位，使用的是類似的同位素純晶圓。

自旋量子位是什么？

位是什么？

自旋量子位與我們現(xiàn)在已知的半導(dǎo)體電子和晶體管高度相似。它們充分利用芯片設(shè)備上的一個(gè)電子自旋并用微小的微波脈沖來(lái)控制運(yùn)動(dòng)，從而釋放其量子能量。

電子可以向不同的方向自旋。當(dāng)電子向上自旋時(shí)，數(shù)據(jù)表示二進(jìn)位數(shù)值1。當(dāng)電子向下自旋時(shí)，數(shù)據(jù)表示二進(jìn)位數(shù)值為0。但是，類似于超導(dǎo)量子位的運(yùn)作方式，這些電子也存在“疊加”，也就是說(shuō)，它們有可能同時(shí)向上、向下自旋，在這一過(guò)程中，理論上它們可以并行處理巨大的數(shù)據(jù)集，并且比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快得多。

為何要研究自旋量子位？

在量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)商用之前，研究人員必須克服的一個(gè)挑戰(zhàn)就是量子位脆弱的本質(zhì)。任何噪聲或無(wú)意的觀測(cè)都會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。這種脆弱性需要它們?cè)跇O冷的溫度下操作，這為芯片本身的材質(zhì)設(shè)計(jì)以及使其運(yùn)行所必需的控制電子元件帶來(lái)了挑戰(zhàn)。超導(dǎo)量子位非常龐大，它們?cè)谝粋€(gè)55加侖圓桶大小的系統(tǒng)中運(yùn)行，這使其難以把量子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)擴(kuò)展到開發(fā)真正商用系統(tǒng)所需的數(shù)百個(gè)萬(wàn)量子位的規(guī)模。

與超導(dǎo)量子位相比，自旋量子位在解決這些挑戰(zhàn)方面具備一些優(yōu)勢(shì)：

它們小而強(qiáng)大：自旋量子位的實(shí)際尺寸小得多，它們的相干時(shí)間預(yù)計(jì)也長(zhǎng)得多——如果研究人員的目標(biāo)是把該系統(tǒng)擴(kuò)展到商用系統(tǒng)所需的數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位，那么這就是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

它們能夠在較高的溫度下運(yùn)行：相對(duì)于超導(dǎo)量子位，硅自旋量子位可以在較高的溫度下運(yùn)行（1開爾文，而不是20毫開爾文）。通過(guò)把控制電子元件集成放在更靠近處理器的位置，這可以大大降低運(yùn)行芯片所需系統(tǒng)的復(fù)雜性。英特爾和學(xué)術(shù)研究合作伙伴QuTech*正在探索自旋量子位在更高溫度下運(yùn)行，并獲得有趣的成果，自旋量子位比超導(dǎo)量子位的運(yùn)行溫度最多高1K（或熱50倍）。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將在3月的美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）[注1]大會(huì)上分享這一成果。

英特爾制造秘訣：自旋量子位處理器的設(shè)計(jì)非常類似于傳統(tǒng)硅晶體管技術(shù)。盡管擴(kuò)展該技術(shù)還面臨著關(guān)鍵的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，但憑借幾十年來(lái)大規(guī)模制造晶體管的經(jīng)驗(yàn)，英特爾擁有出色的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。

自旋量子位研究的現(xiàn)狀如何？

在今年2月份舉行的美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）[注2]年會(huì)上，QuTech展示了其開發(fā)兩個(gè)量子位自旋量子計(jì)算機(jī)的成果，該計(jì)算機(jī)可進(jìn)行編程，來(lái)執(zhí)行兩個(gè)簡(jiǎn)單的量子算法。這一發(fā)展為規(guī)模更大、能應(yīng)對(duì)更復(fù)雜應(yīng)用的自旋處理器鋪平了道路。更多信息可參考2月14日出版的《自然》雜志文章。

此外，英特爾還在其300毫米制程技術(shù)上發(fā)明了自旋量子位制造流程，采用專門用于生產(chǎn)自旋量子位測(cè)試芯片的同位素純晶圓,并能和英特爾先進(jìn)的晶體管技術(shù)一樣，在同一個(gè)設(shè)施中制造。英特爾正在測(cè)試其初始晶圓，在幾個(gè)月的時(shí)間里，英特爾預(yù)計(jì)每周將生產(chǎn)許多晶圓，每個(gè)晶圓都有數(shù)千個(gè)小量子位陣列。

未來(lái)，英特爾和QuTech將在整個(gè)量子系統(tǒng)或“?！鄙侠^續(xù)探索超導(dǎo)和自旋量子位，從量子位設(shè)備到控制這些設(shè)備以及量子應(yīng)用所需的硬件和軟件架構(gòu)。所有這些元素都是推動(dòng)量子計(jì)算從研究變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。