以半導(dǎo)體芯片為核心的計算機(jī)的發(fā)明成就了現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，深刻改變了人類的社會活動形式。

特邀作者：?夏春秋

清華大學(xué) 集成電路學(xué)院

隨著摩爾定律的放緩，芯片正朝著復(fù)雜的系統(tǒng)級創(chuàng)新發(fā)展，以滿足功率和性能要求。有一個方向格外的引人注目，那就是曾經(jīng)夢想的量子計算，如今正在成為現(xiàn)實。量子計算是芯片尺寸突破經(jīng)典物理極限的必然產(chǎn)物，是后摩爾時代具有標(biāo)志性的技術(shù)，信息的量子化趨勢不可避免。

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量子計算機(jī)的基本原理

量子計算機(jī)利用量子疊加和量子糾纏來對信息執(zhí)行編碼、邏輯運算、存儲及處理，其最核心的是來自于量子的相干性（coherence），這個是物理層面上的，經(jīng)典的計算機(jī)是永遠(yuǎn)也不可能有這種相干性的。

量子疊加指一個量子比特同時具備0和1的兩種狀態(tài)，表示為α|0+β|1，其中|α|2+|β|2=1，它實現(xiàn)形式有光子的不同偏振態(tài)，核子和電子的自旋，電子繞單原子核的運動狀態(tài)，超導(dǎo)體中的電流電荷等。量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級疊加，實現(xiàn)量子并行計算，其計算能力可隨著量子比特位數(shù)的增加呈指數(shù)增長。

量子比特可以構(gòu)成量子邏輯門，對于單比特量子邏輯門有以下特性：單比特量子邏輯門可用2×2矩陣表示；此矩陣必須是酉陣（unitary），且酉為唯一的限制；任何一個2×2的酉矩陣都構(gòu)成一量子門；種類分為X、Y、Z、Hadamard門等。雙比特量子門有CNOT門、SWAP門等。

整體量子系統(tǒng)的工作狀態(tài)簡圖如下所示：

量子計算機(jī)意義與量子霸權(quán)

從上個世紀(jì)的Shor算法(解決大數(shù)因數(shù)分解問題，可以快速破解經(jīng)典加密里常用的RSA密鑰，量子算法來源于此)，Grover搜索算法(可用于數(shù)據(jù)庫搜索)，到近些年的HHL算法(用于量子機(jī)器學(xué)習(xí)，從金融交易到交通規(guī)劃再到等離子體模擬等)，各種各樣的量子算法層出不窮，除此之外量子系統(tǒng)還在生物制藥化學(xué)分析乃至能源等方面有著重要的意義。下圖是麥肯錫評估的量子計算可以為各行業(yè)貢獻(xiàn)的市場份額圖，可見一斑。

量子計算機(jī)最被人津津樂道的就是量子霸權(quán)，它是指量子計算擁有的超越所有經(jīng)典計算機(jī)的計算能力。以一項最新的科技進(jìn)展為例，對于鐵氧還蛋白在光合作用中的新城代謝反應(yīng)的分子動力學(xué)模擬，使用量子計算機(jī)將計算的復(fù)雜度從O(N 11)降低到O(N 3)，所需的時間從兩千四百萬年降低至一個小時！

同時由于量子計算都是可逆的幺正計算（unitary operator），也就是說只有在一次量子計算結(jié)束時（測量量子態(tài)時）才會出現(xiàn)熵增。這將大大減少量子計算本身所消耗的能量。

這些巨大的優(yōu)勢讓量子技術(shù)已成為最受關(guān)注的科技進(jìn)展之一，列舉近些年與量子技術(shù)相關(guān)的諾貝爾獎：（量子相干）2005年，“對光學(xué)相干的量子理論的貢獻(xiàn)”和對基于激光的精密光譜學(xué)發(fā)展。（單量子操控）2012年，“能夠測量和操控單個量子體系的開拓性實驗方法”。（拓?fù)淞孔佑嬎悖?016年，在理論上發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷?020年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者羅杰·彭羅斯提出大腦進(jìn)行信息的量子相干處理即一種“量子計算”。

但是，量子計算的應(yīng)用對物理系統(tǒng)的要求很高。量子比特很脆弱，不像mos晶體管可以簡單集成到芯片上，量子系統(tǒng)往往需要特別低的溫度，非常精細(xì)的控制，與環(huán)境的足夠隔絕等。這就對目前量子系統(tǒng)工作環(huán)境下的計算電路提出了技術(shù)要求。

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世界科企先進(jìn)進(jìn)展

量子技術(shù)一直備受世界各國的科技工作者和企業(yè)的重點關(guān)注。量子計算領(lǐng)域典型創(chuàng)業(yè)公司主要以歐美國家為主導(dǎo)。

不同公司采用的量子雙態(tài)（二能級）固體系統(tǒng)也不同，目前國際各大公司量子計算的載體使用情況為：谷歌和IBM選擇了比較主流的超導(dǎo)量子電路；Intel采用硅量子點；微軟和貝爾實驗室使用拓?fù)淞孔游唬涣孔佑嬎愠鮿?chuàng)企業(yè)i onQ選擇的是離子阱；Quantum Diamond Technologies采用鉆石空位。

谷歌&D-Wave

2013年05月，谷歌宣布以1500萬美元購買D-Wave公司。2014年9月谷歌宣布建造基于超導(dǎo)電子學(xué)的超快量子芯片。2015年8月谷歌宣稱D-Wave公司D-Wave Two型的512 位的量子芯片問世。2017年1月D-Wave公司宣布他們新的2000個超導(dǎo)量子比特的商用量子計算機(jī)。谷歌2018年3月展示的72位超導(dǎo)量子比特芯片。

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Intel

Intel在2017年10月宣稱了17量子位超導(dǎo)測試芯片交付于荷蘭合作伙伴 QuTech。2018年1月Intel在電子產(chǎn)品展覽會(CES)上宣布開始制造并交付49量子比特（qubit）的超導(dǎo)量子芯片。2020年4月，Intel與QuTech合作，在nature上展示了在高于1K的溫度下成功控制了“熱”量子比特，該研究還強(qiáng)調(diào)了對兩個量子位的個體相干控制，單量子位保真度高達(dá) 99.3%，這些突破突顯了未來量子系統(tǒng)的低溫控制以及與單電子晶體管非常相似的硅自旋量子位在集成封裝中的潛力。2020年12月，Intel推出了第二代低溫控制芯片 Horse Ridge II，支持增強(qiáng)功能和更高水平的集成，以實現(xiàn)對量子系統(tǒng)的優(yōu)雅控制，新功能包括操縱和讀取量子比特狀態(tài)，擁有控制糾纏多個量子比特所需的多個門的潛力。

2022年3月在美國物理學(xué)會（APS）的會議上，Intel介紹了公司最新發(fā)表的14篇論文成果，并透露了公司的量子戰(zhàn)略計劃。在Intel看來，實用的量子計算未來還有很長的路要走，可能長達(dá)十年左右，所以他們不打算提供面向NISQ的應(yīng)用程序產(chǎn)品。作為經(jīng)典計算微處理器領(lǐng)導(dǎo)者，圍繞開發(fā)量子計算相關(guān)工程復(fù)雜性，Intel制定了長期路線圖：致力于面向未來提供強(qiáng)大的量子處理器芯片和糾錯功能。

Intel表示，他們在量子計算競賽中的最大優(yōu)勢，是利用硅晶體管構(gòu)建高性能計算模塊方面的能力。相比超導(dǎo)量子比特，自旋量子比特有著顯著優(yōu)勢，例如每個量子比特的裸片面積縮小了幾個數(shù)量級，并且基于自旋量子比特技術(shù)，Intel可以通過自家芯片晶圓廠來生產(chǎn)該芯片，而不需要再安裝新的制造設(shè)備。

與其他團(tuán)隊使用電子束光刻、原子層沉積和剝離硅處理器等技術(shù)不同，Intel采用的是先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)EUV（極紫外）光學(xué)光刻、等離子蝕刻、CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）以及大規(guī)模193nm光刻工藝構(gòu)建硅基自旋量子比特芯片，Intel的先進(jìn)制造方法已具備了高產(chǎn)量、高精度、低污染、高勻度、高再生性優(yōu)勢。

目前，Intel已自研了軟件開發(fā)工具包（SDK）、帶有基于LLVM架構(gòu)的C++編譯器和系統(tǒng)軟件工作流程，旨在高效執(zhí)行經(jīng)典/量子變分算法。其中，優(yōu)化的編譯器可接管用戶程序并以最有效的方式將其編譯為處理器的原始門集，從而控制經(jīng)典處理器和量子處理器之間的所有交互，實現(xiàn)高效協(xié)作。SDK支持用戶像開發(fā)一些不同的模擬器一樣開發(fā)量子點芯片。同時，Intel的軟件團(tuán)隊也在研究如何在基于自旋量子比特的量子處理器上運行這些算法。

? IBM

IBM于2016年5月發(fā)布了5個量子位的IBM Quantum Experience量子云計算，于2017年5月宣布已經(jīng)建立16個量子比特的Quantum Experience通用計算機(jī)和一個17量子比特的商業(yè)處理器原型。2017年11月IBM 發(fā)布消息稱已經(jīng)構(gòu)建成功 50量子比特的量子計算處理器的樣機(jī),將使用在下一代的IBMQ系統(tǒng)中,提供給客戶。12月宣布將與包括三星、摩根大通和巴克萊銀行在內(nèi)的12家主要公司合作，開發(fā)商用量子計算。

在2019年國際消費電子展（CES）上，IBM推出全球首臺量子計算一體機(jī)Q System One，稱其為“世界上第一個專為科學(xué)和商業(yè)用途設(shè)計的集成通用近似量子計算系統(tǒng)”。IBM認(rèn)為，衡量一個量子設(shè)備的性能不僅要看量子比特的數(shù)量，還要考慮量子比特的連通性（Connectivity），門的測量誤差(Measurement Errors)，相干時間(Coherence Times)的增加，設(shè)備串?dāng)_(Device Crosstalk)的減少，以及軟件對電路編譯效率(Compiler Efficiency)的改進(jìn)等多方面，因此IBM提出了一個全新的針對量子系統(tǒng)的度量標(biāo)準(zhǔn)——量子體積（Quantum Volume）。2020年8月，IBM表示其最新的27位量子比特系統(tǒng)Montreal達(dá)到了64QV；僅4個月后，IBM量子計算副總裁Jay Gambetta在推特上宣布，其最新量子計算系統(tǒng)IBM Q System One-Montreal達(dá)到了128QV，比四個月前又翻了一倍。新系統(tǒng)的快速推出，得益于硬件設(shè)計的改進(jìn)和新的“目標(biāo)旋轉(zhuǎn)”（Target Rotary）脈沖技術(shù)，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)增加了兩個量子糾纏操作的保真度，同時減少了相鄰量子比特的錯誤。同年8月IBM發(fā)布：包含64位量子比特的Falcon芯片。

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2022年5月，IBM更新了其量子計算路線圖，計劃創(chuàng)建一個新的量子處理器以及量子軟件和服務(wù)模式，從而實現(xiàn)下一代——以量子為中心的超級計算機(jī)，并圍繞量子處理器、CPU和GPU組合的新資源來解決世界上一些最具挑戰(zhàn)性的問題。

要實現(xiàn)構(gòu)建以量子為中心的超級計算機(jī)的最終目標(biāo)，IBM必須在其路線圖中解決幾個挑戰(zhàn)問題：1.擴(kuò)展動態(tài)電路的使用。由于動態(tài)電路需要控制系統(tǒng)允許數(shù)據(jù)以足夠低的延遲移動、實時處理，IBM必須設(shè)計出第三代控制系統(tǒng)以滿足低延遲需求。2.新語言。IBM需要開發(fā)出新的語言，從而允許用戶描述實時經(jīng)典計算與量子門的組合。在量子社區(qū)的幫助下，IBM正在努力開發(fā)一種用于描述新電路的OpenQASM 3語言。3.新編譯器技術(shù)。IBM需要開發(fā)出新的編譯器技術(shù)以將OpenQASM 3電路轉(zhuǎn)換為允許其在控制系統(tǒng)上運行的形式。4.容錯量子計算。要成功擴(kuò)展到數(shù)十萬個量子比特，IBM將必須具備量子糾錯能力。

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國內(nèi)量子電路進(jìn)展

企業(yè)方面，2015年08月，中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計算實驗室在上海成立。2017年12月，騰訊籌劃許久的量子實驗室曝光。2017年12月，北京量子信息科學(xué)研究院在北京中關(guān)村軟件園成立，旨在推動中國搶占全球量子信息技術(shù)制高點，中國科學(xué)院院士薛其坤當(dāng)選研究院院長。2018年3月，百度宣布成立量子計算研究所，開展量子計算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用業(yè)務(wù)研究。

科研方面，2016年8月墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在酒泉用長征二號丁運載火箭成功發(fā)射升空。2017年6月中國利用墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在國際上率先實現(xiàn)千公里級的量子糾纏分發(fā)。2021年，中科院研制的66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機(jī)“祖沖之2.0”問世，通過操縱其上的56個量子比特，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性。隨后研制的升級版的光量子計算原型機(jī)“九章2.0”對于高斯玻色采樣問題，具有了部分可編程能力，其一分鐘完成的任務(wù)，目前最強(qiáng)大的超算需要耗費億年的時間。

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總結(jié)

超導(dǎo)及其固態(tài)量子相干電路經(jīng)過近20年的發(fā)展，從簡單物理現(xiàn)象的演示發(fā)展到需要有微電子工程技術(shù)介入的階段。

未來需要持續(xù)關(guān)注并解決的問題主要集中在一下方面：1進(jìn)一步發(fā)展基礎(chǔ)理論解決量子相干問題。2電路大規(guī)模集成的物理可靠性分析和工程技術(shù)問題評估。3量子計算基本理論實現(xiàn)的硬件設(shè)計及電路設(shè)計。4針對超導(dǎo)電路特點進(jìn)行容錯量子糾錯碼優(yōu)化設(shè)計.5利用超導(dǎo)量子比特的多樣性設(shè)計建立拓?fù)淞孔佑嬎隳Ｐ?6量子仿真、退火、機(jī)器學(xué)習(xí)、玻色采樣等中重大問題的確立。7信息的存儲。

當(dāng)今世界各主要大國在量子計算研發(fā)方面投入了巨資，這一領(lǐng)域具有廣闊的前景，無論是在國家、經(jīng)濟(jì)、科技、軍事、安全等方面都有著非同凡響的意義，希望未來能夠?qū)⒂嘘P(guān)量子計算的幻想變成真正顛覆性的技術(shù)！

編輯：黃飛

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