薛山

量子隧穿：摩爾定律逐漸失效的關鍵因素

上期我們?yōu)榇蠹以敿毥庾x了量子科技的第一大應用：量子通信。而這期我們將會更深入一些與大家討論關于量子計算的話題，那么首先可能大家會疑惑，究竟什么是量子計算？它與經典計算有何差別呢？

首先，我們知道計算機芯片是由電路的邏輯門組成，而每個邏輯門則是由晶體管組成，而在最新的制程工藝下，一塊芯片里能塞入數億的晶體管，晶體管是能讓計算機處理數據的最基本單元，從功能上來說它像個開關，可阻擋或允許電流通過并形成高低電信號，組成了數據，單位為比特（bit），1個比特可分為0和1兩種狀態(tài)，比特位數越多，能表示的數也就越大。

而如今的晶體管已經可以做到幾納米的大小，僅有數個原子的大小，比如5nm就相當于40個硅原子的尺寸，而且按照摩爾定律，這個尺寸應該還會持續(xù)縮小，但恰恰因為它的尺寸太小，電子有時會無視它的阻礙，直接通過已關閉的三極管開關，這種現象就被稱為量子隧穿。當量子隧穿規(guī)模達到數億級別時，顯然就會對應用造成明顯影響，晶體管尺寸就摸到了“天花板”。

也就是說，經典計算機已經達到了所謂的“量子極限”，電子的行為已經不能單純地再用“電流”的概念來描述，幾十年積累的集成電路設計已經達到極限，而現在能走的路無非兩條，其一是不斷改進工藝或更換材料，以盡量逼近這個極限，其二就是擁抱量子特性來進行計算，包括電子、超導線圈、冷原子甚至光子都有潛力成為量子計算的載體，那么量子計算與經典計算的差別在哪呢？

量子疊加與糾纏，讓并行計算性能成倍增長

正如前文所述，在經典計算機中，我們得到的結果可確定的，不是0就是1，也就是每一個經典比特只能記錄兩個數值。但量子計算機并不相同，每一個量子比特（Qubit）可以處于疊加態(tài)，數據量呈幾何形態(tài)增長，以一個4bit計算模型為例，它總計有16種組合也就是16個不同的數據，在某一個時刻經典計算機只可能處于其中1種狀態(tài)，也就是只能記錄1個數據，而量子比特因為處于疊加態(tài)，所以可以同時處于16種狀態(tài)中，當探測器使用不同的方式去確定就能得到不同的數據，換言之就是對于一個4bit計算模型，1臺量子計算機就等于16臺經典計算機并行工作。所以量子比特越大，量子計算機的并行優(yōu)勢就越大。

除此之外，在量子通信中起到關鍵作用的量子糾纏在量子計算里也能起到很重要的作用，因為量子糾纏的特性是一個量子比特的變化引發(fā)與之糾纏的另一個量子同步變化，也就是計算1個量子比特就能得到另一個量子比特的數據，這同樣又加強了并行計算的效率。

從應用來說，量子計算機超強的并行處理性能讓它在特定領域可獲得驚人的效率優(yōu)勢，加州理工學院理論物理學家John Preskill在2011年的一次演講中提出了“量子霸權”的概念，而實現“量子霸權”的標準就是比經典計算機更好地解決一個特定計算問題。在數據庫海量數據中進行檢索時，傳統(tǒng)計算機需遍歷其中所有可能的匹配才能找到最終結果，而利用量子計算機中的匹配算法去尋找結果可節(jié)省數倍時間;在信息安全領域，經典計算時代的密鑰本身是一個字符串，而字符串是可以通過窮舉法來進行暴力破解的，只是經典計算機的算力限制，使得破解所需的時間非常漫長，而量子計算機的落地會讓暴力破解的難度驟減，所以對安全領域也將會是一次重大的沖擊;在醫(yī)學領域，注入蛋白質模型模擬對傳統(tǒng)計算機來說是很大的挑戰(zhàn)，往往需要接入超級計算機才能解決，而量子計算機的出現也將大大降低分子、原子甚至量子模擬的技術門檻，對醫(yī)學技術的推動力不言而喻。

并未落后太多，正是快馬加鞭追趕的好時機

從歷史角度來看，量子計算機仍處于“嬰兒期”，2016年IBM率先研發(fā)出世界上第一個基于5位超導量子計算機的量子云平臺IBM Q Experience，目前，IBM已經有22臺公開的量子計算機，先后有100多家企業(yè)單位和科研機構使用了其提供的量子計算云服務。2019年亞馬遜、微軟先后上線了量子計算云平臺Braket與Azure Quantum。2019年10月24日《自然》雜志刊發(fā)了谷歌公司的一篇論文，在該論文中谷歌表示其開發(fā)出一款54量子比特數（其中53個量子比特可用）的超導量子芯片“Sycamore”，對一個53bit、20深度的電路采樣一百萬次只需200秒，而目前最強的經典超級計算機Summit要得到類似的結果需要一萬年。

中國科學技術大學量子物理與量子信息研究部教授朱曉波認為，在一個計算復雜度被嚴格證明的問題上，谷歌發(fā)表的研究成果是人類首次證實量子計算機相較于經典計算機有壓倒性優(yōu)勢，因此有著重要的里程碑式意義。但顯然，量子計算機的賽道剛剛打響信號槍，這也就為我國量子計算的追趕提供了時間上的契機。

9月12日，由中國科學技術大學郭光燦院士團隊的成果轉化企業(yè)、合肥本源量子計算科技有限責任公司研發(fā)的超導量子計算云平臺“悟源”正式上線?！俺藱C箱，也就是制冷機，其他的我們都是能夠自主可控研發(fā)，或者找國內的廠商來制造的?！北驹戳孔佑嬎愎靖笨偛脧堓x表示。雖然起步較晚，但此次我國企業(yè)自主研發(fā)的量子計算云平臺性能不容小覷，據本源量子的官方數據顯示，對比2017年IBM量子云平臺上公布的量子邏輯門保證度和量子讀取保證度等數據，本源量子公司此次推出的量子計算云平臺目前的水平能夠超過IBM在2017年建立的云平臺水平（5個量子比特）。

但不得不說的是，目前“悟源”平臺采用的是6個量子比特的“夸父”芯片，與目前IBM云平臺的50個量子比特系統(tǒng)還是有較大的差距，仍需時間來追趕。而外層制冷機最早在明年也能見到國產產品面世，也就是最早在明年就能實現量子計算機的全國產化。

編輯觀察

據波士頓咨詢發(fā)布的報告預測，在不考慮量子糾錯算法的進展情況下，2035年全球量子計算應用市場規(guī)模將達到近20億美元，2050年將暴漲到2600億美元。若量子計算技術迭代速度超出預期，2035年市場規(guī)模即可突破600億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。所以，這是一個次世代級別的超大規(guī)模市場，無論從商業(yè)、社科、國家安全等諸多領域，都是“兵家必爭之地”，現在加碼力推國產量子科技產業(yè)可以說是最正確的時機，未來值得期待。