以半導(dǎo)體芯片為核心的計(jì)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(lèi)的社會(huì)活動(dòng)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(jí)創(chuàng)新發(fā)展，以滿足功率和性能要求。有一個(gè)方向格外的引人注目，那就是曾經(jīng)夢(mèng)想的量子計(jì)算，如今正在成為現(xiàn)實(shí)。量子計(jì)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(shí)代具有標(biāo)志性的技術(shù)，信息的量子化趨勢(shì)不可避免。

?

量子計(jì)算機(jī)的基本原理

量子計(jì)算機(jī)利用量子疊加和量子糾纏來(lái)對(duì)信息執(zhí)行編碼、邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理，其最核心的是來(lái)自于量子的相干性（coherence），這個(gè)是物理層面上的，經(jīng)典的計(jì)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(gè)量子比特同時(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，超導(dǎo)體中的電流電荷等。量子糾纏能讓一個(gè)量子比特與空間上獨(dú)立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級(jí)疊加，實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算，其計(jì)算能力可隨著量子比特位數(shù)的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。

量子比特可以構(gòu)成量子邏輯門(mén)，對(duì)于單比特量子邏輯門(mén)有以下特性：?jiǎn)伪忍亓孔舆壿嬮T(mén)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(gè)2×2的酉矩陣都構(gòu)成一量子門(mén)；種類(lèi)分為X、Y、Z、Hadamard門(mén)等。雙比特量子門(mén)有CNOT門(mén)、SWAP門(mén)等。

整體量子系統(tǒng)的工作狀態(tài)簡(jiǎn)圖如下所示：

量子計(jì)算機(jī)意義與量子霸權(quán)

從上個(gè)世紀(jì)的Shor算法(解決大數(shù)因數(shù)分解問(wèn)題，可以快速破解經(jīng)典加密里常用的RSA密鑰，量子算法來(lái)源于此)，Grover搜索算法(可用于數(shù)據(jù)庫(kù)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(píng)估的量子計(jì)算可以為各行業(yè)貢獻(xiàn)的市場(chǎng)份額圖，可見(jiàn)一斑。

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

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

這些巨大的優(yōu)勢(shì)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(jiǎng)：（量子相干）2005年，“對(duì)光學(xué)相干的量子理論的貢獻(xiàn)”和對(duì)基于激光的精密光譜學(xué)發(fā)展。（單量子操控）2012年，“能夠測(cè)量和操控單個(gè)量子體系的開(kāi)拓性實(shí)驗(yàn)方法”。（拓?fù)淞孔佑?jì)算）2016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(jiǎng)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(jì)算”。

但是，量子計(jì)算的應(yīng)用對(duì)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(jiǎn)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(duì)目前量子系統(tǒng)工作環(huán)境下的計(jì)算電路提出了技術(shù)要求。

?

世界科企先進(jìn)進(jìn)展

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

不同公司采用的量子雙態(tài)（二能級(jí)）固體系統(tǒng)也不同，目前國(guó)際各大公司量子計(jì)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(diǎn)；微軟和貝爾實(shí)驗(yàn)室使用拓?fù)淞孔游唬涣孔佑?jì)算初創(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(wàn)美元購(gòu)買(mǎi)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(chēng)D-Wave公司D-Wave Two型的512 位的量子芯片問(wèn)世。2017年1月D-Wave公司宣布他們新的2000個(gè)超導(dǎo)量子比特的商用量子計(jì)算機(jī)。谷歌2018年3月展示的72位超導(dǎo)量子比特芯片。

?

Intel

Intel在2017年10月宣稱(chēng)了17量子位超導(dǎo)測(cè)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(huì)(CES)上宣布開(kāi)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(duì)兩個(gè)量子位的個(gè)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(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)量子比特所需的多個(gè)門(mén)的潛力。

2022年3月在美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）的會(huì)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(jì)劃。在Intel看來(lái)，實(shí)用的量子計(jì)算未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走，可能長(zhǎng)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(jì)算微處理器領(lǐng)導(dǎo)者，圍繞開(kāi)發(fā)量子計(jì)算相關(guān)工程復(fù)雜性，Intel制定了長(zhǎng)期路線圖：致力于面向未來(lái)提供強(qiáng)大的量子處理器芯片和糾錯(cuò)功能。

Intel表示，他們?cè)诹孔佑?jì)算競(jìng)賽中的最大優(yōu)勢(shì)，是利用硅晶體管構(gòu)建高性能計(jì)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(shì)，例如每個(gè)量子比特的裸片面積縮小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且基于自旋量子比特技術(shù)，Intel可以通過(guò)自家芯片晶圓廠來(lái)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(duì)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?xún)?yōu)勢(shì)。

目前，Intel已自研了軟件開(kāi)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(mén)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(shí)現(xiàn)高效協(xié)作。SDK支持用戶像開(kāi)發(fā)一些不同的模擬器一樣開(kāi)發(fā)量子點(diǎn)芯片。同時(shí)，Intel的軟件團(tuán)隊(duì)也在研究如何在基于自旋量子比特的量子處理器上運(yùn)行這些算法。

? IBM

IBM于2016年5月發(fā)布了5個(gè)量子位的IBM Quantum Experience量子云計(jì)算，于2017年5月宣布已經(jīng)建立16個(gè)量子比特的Quantum Experience通用計(jì)算機(jī)和一個(gè)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(chēng)已經(jīng)構(gòu)建成功 50量子比特的量子計(jì)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(kāi)發(fā)商用量子計(jì)算。

在2019年國(guó)際消費(fèi)電子展（CES）上，IBM推出全球首臺(tái)量子計(jì)算一體機(jī)Q System One，稱(chēng)其為“世界上第一個(gè)專(zhuān)為科學(xué)和商業(yè)用途設(shè)計(jì)的集成通用近似量子計(jì)算系統(tǒng)”。IBM認(rèn)為，衡量一個(gè)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(mén)的測(cè)量誤差(Measurement Errors)，相干時(shí)間(Coherence Times)的增加，設(shè)備串?dāng)_(Device Crosstalk)的減少，以及軟件對(duì)電路編譯效率(Compiler Efficiency)的改進(jìn)等多方面，因此IBM提出了一個(gè)全新的針對(duì)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(gè)月后，IBM量子計(jì)算副總裁Jay Gambetta在推特上宣布，其最新量子計(jì)算系統(tǒng)IBM Q System One-Montreal達(dá)到了128QV，比四個(gè)月前又翻了一倍。新系統(tǒng)的快速推出，得益于硬件設(shè)計(jì)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(gè)量子糾纏操作的保真度，同時(shí)減少了相鄰量子比特的錯(cuò)誤。同年8月IBM發(fā)布：包含64位量子比特的Falcon芯片。

?

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

要實(shí)現(xiàn)構(gòu)建以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)的最終目標(biāo)，IBM必須在其路線圖中解決幾個(gè)挑戰(zhàn)問(wèn)題：1.擴(kuò)展動(dòng)態(tài)電路的使用。由于動(dòng)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(dòng)、實(shí)時(shí)處理，IBM必須設(shè)計(jì)出第三代控制系統(tǒng)以滿足低延遲需求。2.新語(yǔ)言。IBM需要開(kāi)發(fā)出新的語(yǔ)言，從而允許用戶描述實(shí)時(shí)經(jīng)典計(jì)算與量子門(mén)的組合。在量子社區(qū)的幫助下，IBM正在努力開(kāi)發(fā)一種用于描述新電路的OpenQASM 3語(yǔ)言。3.新編譯器技術(shù)。IBM需要開(kāi)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(yùn)行的形式。4.容錯(cuò)量子計(jì)算。要成功擴(kuò)展到數(shù)十萬(wàn)個(gè)量子比特，IBM將必須具備量子糾錯(cuò)能力。

?

國(guó)內(nèi)量子電路進(jìn)展

企業(yè)方面，2015年08月，中國(guó)科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室在上海成立。2017年12月，騰訊籌劃許久的量子實(shí)驗(yàn)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(dòng)中國(guó)搶占全球量子信息技術(shù)制高點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院院士薛其坤當(dāng)選研究院院長(zhǎng)。2018年3月，百度宣布成立量子計(jì)算研究所，開(kāi)展量子計(jì)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(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射升空。2017年6月中國(guó)利用墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)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(jì)算原型機(jī)“祖沖之2.0”問(wèn)世，通過(guò)操縱其上的56個(gè)量子比特，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。隨后研制的升級(jí)版的光量子計(jì)算原型機(jī)“九章2.0”對(duì)于高斯玻色采樣問(wèn)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(fèi)億年的時(shí)間。

?

?

總結(jié)

超導(dǎo)及其固態(tài)量子相干電路經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，從簡(jiǎn)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(lái)需要持續(xù)關(guān)注并解決的問(wèn)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(wèn)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(wèn)題評(píng)估。3量子計(jì)算基本理論實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)。4針對(duì)超導(dǎo)電路特點(diǎn)進(jìn)行容錯(cuò)量子糾錯(cuò)碼優(yōu)化設(shè)計(jì).5利用超導(dǎo)量子比特的多樣性設(shè)計(jì)建立拓?fù)淞孔佑?jì)算模型.6量子仿真、退火、機(jī)器學(xué)習(xí)、玻色采樣等中重大問(wèn)題的確立。7信息的存儲(chǔ)。

當(dāng)今世界各主要大國(guó)在量子計(jì)算研發(fā)方面投入了巨資，這一領(lǐng)域具有廣闊的前景，無(wú)論是在國(guó)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(lái)能夠?qū)⒂嘘P(guān)量子計(jì)算的幻想變成真正顛覆性的技術(shù)！

編輯：黃飛

?