不久前，業(yè)界都還認(rèn)為半導(dǎo)體量子技術(shù)離我們很遠(yuǎn)，甚至 D-Wave 的 CEO Vern Brownell 也曾在接受 DT 君的專(zhuān)訪時(shí)表示，要實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子計(jì)算的商業(yè)化至少要 10 年以上，但隨著日本 IT 巨頭富士通的數(shù)字退火量子（Digital Annealer）計(jì)算芯片即將量產(chǎn)，以及英特爾在硅自旋量子比特（silicon spin qubit）技術(shù)的突破，同時(shí)中國(guó)也展示了半導(dǎo)體量子計(jì)算的發(fā)展，量子計(jì)算或許可能提早通過(guò)半導(dǎo)體工藝走進(jìn)尋常百姓家。

顯而易見(jiàn)，量子計(jì)算之所以重要，是因?yàn)槠渚邆淇焖俳鉀Q過(guò)去很難利用傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)解決的“人類(lèi)規(guī)模”問(wèn)題的能力，比如說(shuō)找出癌癥的解方，更好的針對(duì)個(gè)人化的醫(yī)療方法，不僅在能源領(lǐng)域、目前最流行的 AI 模擬，甚至揭開(kāi)更多宇宙的秘密，都將扮演極為重要的角色。

而作為量子計(jì)算基礎(chǔ)的量子物理現(xiàn)象其實(shí)屬于普遍的自然界物理現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)在許多不同的材料、化學(xué)或自然環(huán)境中，因此，其達(dá)成的方式也不只一種，就好比量子計(jì)算的研究范圍已經(jīng)從超導(dǎo)量子前進(jìn)到光量子，甚至基于數(shù)字退火技術(shù)的半導(dǎo)體量子亦已經(jīng)量產(chǎn)，換言之，只要材料引發(fā)的現(xiàn)象能夠觀測(cè)出量子物理特征，就有可能拿來(lái)計(jì)算。

只是經(jīng)過(guò)將近 20 年的發(fā)展，以超導(dǎo)技術(shù)為核心的量子計(jì)算商用腳步在軟件生態(tài)成熟度不足，且量產(chǎn)難度極高的情況下，在實(shí)際應(yīng)用層面上還有很大的限制，雖然我們從各家的量子比特規(guī)模來(lái)爭(zhēng)論量子霸權(quán)將由誰(shuí)掌握，但實(shí)際上，量子計(jì)算的最大限制不是算力的不足，而是難以普及，使得生態(tài)發(fā)展難以有效往前進(jìn)。

也因?yàn)槟壳傲孔佑?jì)算的局限性，如果能夠通過(guò)既有的半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)，解決量子計(jì)算芯片的規(guī)模擴(kuò)增與大批量生產(chǎn)問(wèn)題，并擺脫超導(dǎo)量子計(jì)算所需要的龐大冷卻架構(gòu)，那么，量子計(jì)算或許可以比預(yù)期更早進(jìn)入到一般計(jì)算應(yīng)用中，并加速相關(guān)生態(tài)成熟，成為包含 PC、智能家居、汽車(chē)，甚至各種聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算核心，并徹底改變?nèi)祟?lèi)的生活。

半導(dǎo)體量子計(jì)算：數(shù)字退火、硅自旋量子比特與量子點(diǎn)

目前，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的量子技術(shù)方面進(jìn)展方面，比較知名的有由富士通推出的數(shù)字量子退火（Digital Annealer）技術(shù)、由英特爾推出，基于硅半導(dǎo)體工藝的硅自旋量子比特（silicon spin qubit）技術(shù)、以及由我國(guó)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所提出的，基于量子點(diǎn)（quantum dot）技術(shù)的三量子點(diǎn)半導(dǎo)體比特。

數(shù)字量子退火技術(shù)

富士通與加拿大多倫多大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了數(shù)字退火器 (Digital Annealer)，作為需要精心控制低溫環(huán)境才能發(fā)揮作用的 D-Wave 量子退火計(jì)算架構(gòu)替代品，富士通采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)，該技術(shù)可在室溫下工作，并可安裝在足夠小的電路板上，以便插入數(shù)據(jù)中心的機(jī)架中。

圖｜基于半導(dǎo)體工藝的數(shù)字退火量子處理器，目前已經(jīng)應(yīng)用在富士通的云服務(wù)中。

數(shù)字退火器是 1 種專(zhuān)用芯片，采用非馮諾依曼架構(gòu)，在解決組合優(yōu)化問(wèn)題時(shí)可最大限度地減少數(shù)據(jù)移動(dòng)。它由 1024 個(gè)“位更新塊”(bit-updating blocks) 組成，帶有存儲(chǔ)權(quán)重和偏置的片上存儲(chǔ)器，用于執(zhí)行“位翻轉(zhuǎn)”(bit flips) 的邏輯塊以及接口和控制電路。

數(shù)字退火器不是通過(guò)傳統(tǒng)的編程方式來(lái)利用其算力，而是以權(quán)重矩陣和偏置向量的形式上傳問(wèn)題，以便將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為“能量全景圖”(energy landscape)，用物理模擬的現(xiàn)象來(lái)解題。為達(dá)到此目的，富士通與位于加拿大溫哥華的量子計(jì)算軟件領(lǐng)導(dǎo)者 1QB 信息技術(shù)公司合作，該公司既提供運(yùn)行系統(tǒng)的軟件，也提供軟件開(kāi)發(fā)工具包，供客戶(hù)編寫(xiě)自己的能量全景圖。

東京工業(yè)大學(xué)物理學(xué)教授，同時(shí)也是全球第 1 篇提出量子退火理論論文的作者之一 Hidetoshi Nishimori，以比喻的方式解釋了這種操作：“在數(shù)字退火中，系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)跳到另一個(gè)狀態(tài)，以尋求更好的解決方案，就像一個(gè)人在一個(gè)充滿(mǎn)山丘和山谷的復(fù)雜景觀中徘徊，尋找最低點(diǎn)?！?/p>

Nishimori 補(bǔ)充說(shuō)，這種技術(shù)與傳統(tǒng)量子退火相反，系統(tǒng)以大規(guī)模并行的方式尋找最佳解決方案，同時(shí)考慮所有狀態(tài)。富士通也宣稱(chēng)，其基于 CMOS 的數(shù)字退火器，雖僅具備 1024 量子比特，但性能表現(xiàn)已經(jīng)能夠與 D-Wave 最新的 2000 量子比特的量子退火系統(tǒng)相提并論。

Nishimori 指出，富士通機(jī)器上的位塊之間的權(quán)重能夠以比 D-Wave 系統(tǒng)更高的精度表達(dá)問(wèn)題，因?yàn)橛昧孔颖忍貋?lái)控制這種精度要困難得多，數(shù)字退火器在比特之間具有 16 位精度，相較之下，D-Wave 系統(tǒng)僅有 4 位精度。不過(guò) Nishimori 也提到，D-Wave 的量子退火器從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看將有超過(guò)數(shù)字退火器的潛力，因?yàn)樗鼈兙哂谐罅孔悠叫卸龋阋詮浹a(bǔ)精度表現(xiàn)較弱的缺點(diǎn)。

與此同時(shí)，富士通表示，目前 1000 量子比特的方案已經(jīng)用在自家云服務(wù)器上，而它的目標(biāo)是 2019 年量產(chǎn)具有 8192 位量子比特的數(shù)字退火器，而長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)則是走向百萬(wàn)等級(jí)的量子比特。

該公司于 5 月 15 日開(kāi)始在日本提供云服務(wù)。富士通還與多倫多大學(xué)合作研究數(shù)字退火機(jī)的應(yīng)用，今年晚些時(shí)候富士通將開(kāi)始銷(xiāo)售數(shù)字退火服務(wù)器，塔型主機(jī)和芯片，用于企業(yè)內(nèi)部自有量子計(jì)算的架設(shè)。該公司還計(jì)劃在今年年底之前在北美，歐洲和亞洲推出云服務(wù)。富士通表示，到 2022 年，該服務(wù)的目標(biāo)是收入 1000 億日元（約 9 億美元）。

硅自旋量子比特

英特爾與荷蘭量子計(jì)算公司 QuTech 合作在今年初推出基于硅芯片的可編程雙量子計(jì)算，采用的就是自旋量子單元。自旋量子單元的優(yōu)點(diǎn)是不需要苛刻的環(huán)境條件，如極低溫。本質(zhì)上自旋量子單元是受微波脈沖激活的電子。而基于硅自旋量子單元的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在于其乃是在電子層面操作，因此能夠與現(xiàn)有的計(jì)算工作平臺(tái)緊密配合。

圖｜在硅芯片上上擁有雙量子比特的量子處理器。

其實(shí)硅自旋量子比特的概念很簡(jiǎn)單，當(dāng)在傳統(tǒng)的晶體管通過(guò)穩(wěn)定的電流時(shí)。晶體管中的單個(gè)電子便可在 0 與 1 兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換。而以電子的旋轉(zhuǎn)為概念的話，也就是晶體管中的單個(gè)電子可以具有兩種狀態(tài)之一：往上旋轉(zhuǎn)或往下旋轉(zhuǎn)，而這正是量子比特的兩個(gè)狀態(tài)。因此，英特爾正在做的主要是通過(guò)其工藝創(chuàng)建一系列單電子晶體管，并使之產(chǎn)生量子態(tài)。

不過(guò)，目前英特爾還在為單一芯片上能夠集成更多量子比特而努力，目前他們最多只能做到每個(gè)切割出來(lái)的單一芯片維持 26 個(gè)量子比特，明顯與超導(dǎo)量子有段距離。然而，如果不以單一芯片計(jì)算，而是以整片晶圓來(lái)作為比較基準(zhǔn)，那么其硅自旋量子比特已經(jīng)達(dá)到成千上萬(wàn)之譜，量子比特密度不下于傳統(tǒng)超導(dǎo)量子。

圖|英特爾的硅量子芯片的試產(chǎn)品

當(dāng)然，以晶圓來(lái)作為比較單位并不實(shí)際，英特爾也表示，該公司的超導(dǎo)量子技術(shù)已經(jīng)成熟到可以集成到系統(tǒng)中了，但硅自旋量子還需要數(shù)年的時(shí)間發(fā)展。

不過(guò)，英特爾也提到，以處理器發(fā)展史為例，從第一個(gè)集成電路，到第一個(gè)擁有 25000 個(gè)晶體管的處理器 4004 現(xiàn)身，經(jīng)過(guò)了 10 年的時(shí)間，其實(shí)進(jìn)展相當(dāng)快，而他們也很看到硅自旋量子未來(lái)的發(fā)展?jié)撃埽J(rèn)為在 5 年內(nèi)要發(fā)展到單芯片擁有超過(guò) 1000 個(gè)量子比特并不是困難的事情。

而長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，如果能在單一半導(dǎo)體芯片上達(dá)到百萬(wàn)個(gè)量子比特，并實(shí)現(xiàn)常溫量子的通用計(jì)算，那將是對(duì)整個(gè)數(shù)字產(chǎn)業(yè)，甚至是社會(huì)存在型態(tài)的徹底變革。

三量子點(diǎn)半導(dǎo)體比特

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在今年初推出的三量子點(diǎn)半導(dǎo)體比特是量子點(diǎn)的技術(shù)應(yīng)用之一，是屬于諸多量子計(jì)算型態(tài)的固態(tài)計(jì)算方式，主要是通過(guò) GaAs 或 AIGaAs 或類(lèi)似材料來(lái)制作量子點(diǎn)，量子點(diǎn)指的是將電子與電洞局限在只有幾納米的極小物質(zhì)中，因而產(chǎn)生可以控制的光、電、自旋等性質(zhì)，通常這些性質(zhì)與量子點(diǎn)的尺寸、形狀和材料有關(guān)。而光以量子點(diǎn)形式，就有光子、電子和原子等不同的自旋量子態(tài)可當(dāng)作量子計(jì)算的基礎(chǔ)。

圖｜中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在今年初推出的三量子點(diǎn)半導(dǎo)體比特邏輯門(mén)。

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)半導(dǎo)體納米加工工藝制備出非對(duì)稱(chēng)耦合三量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，再利用電子的原子殼層結(jié)構(gòu)填充原理，化解多電子能級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性這一難題，構(gòu)造了具有準(zhǔn)平行能級(jí)的雜化量子比特。在保證比特相干時(shí)間的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)第三個(gè)量子點(diǎn)的電極電壓，清晰地觀察到比特能級(jí)在 2 至 15GHz 范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。

不過(guò)這種技術(shù)雖屬半導(dǎo)體量子技術(shù)之一，但其半導(dǎo)體材料并非采用硅，所以與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝還是有著相當(dāng)大的不同。

半導(dǎo)體量子計(jì)算將填補(bǔ)傳統(tǒng)超導(dǎo)量子計(jì)算的缺點(diǎn)

基于超導(dǎo)電路的量子比特和基于量子阱的量子比特因?yàn)殡娐敷w積較大，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，在可操控量子比特?cái)?shù)目方面處于領(lǐng)先位置，目前 Google 也已經(jīng)達(dá)到 72 個(gè)量子比特，英特爾和 IBM 也分別推出過(guò) 49 量子比特和 50 量子比特的量子計(jì)算架構(gòu)。

然而，它們的大體積使得未來(lái)大數(shù)目量子比特的集成會(huì)面臨很大的問(wèn)題，進(jìn)而會(huì)影響到一些實(shí)際應(yīng)用的量子算法的實(shí)現(xiàn)。

雖然所有現(xiàn)有的超導(dǎo)量子計(jì)算方法可提供前所未有的計(jì)算能力，但該技術(shù)需要的設(shè)計(jì)與維持成本極高：為了實(shí)現(xiàn)超出傳統(tǒng)計(jì)算范圍的問(wèn)題的正確輸出，超導(dǎo)量子計(jì)算需要保持接近絕對(duì)零度，并且通過(guò)各種遮蔽設(shè)計(jì)來(lái)避免磁干擾、熱噪聲和機(jī)械振動(dòng)的影響，以使量子比特保持迭加狀態(tài)和量子糾纏，成為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的基礎(chǔ)。

而因?yàn)榱孔颖忍氐牟环€(wěn)定性，量子計(jì)算的精度也存在問(wèn)題，一般而言保真度（fidelity）普遍不高，導(dǎo)致現(xiàn)有的量子計(jì)算架構(gòu)必須花費(fèi)許多的心力在于糾錯(cuò)工作上，以確保對(duì)量子現(xiàn)象的觀測(cè)不會(huì)出現(xiàn)誤差。這也讓原本就已經(jīng)臃腫的量子計(jì)算架構(gòu)更為龐大。

這些傳統(tǒng)量子計(jì)算的問(wèn)題即便在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)突破 72 個(gè)量子比特的現(xiàn)在仍相當(dāng)難以解決，而這也是微軟選擇要往基于拓樸架構(gòu)的 Majorana particle（馬約拉納粒子）來(lái)作為量子計(jì)算的核心的原因，由于 Majorana particle 呈電中性，且很少與其他粒子相互作用，其狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定許多，這使得要建造 1 個(gè) 1Qubit 的拓?fù)淞孔佑?jì)算，只需要 1 個(gè) Majorana particle，而不需要額外的糾錯(cuò)設(shè)計(jì)，就理論上而言，會(huì)是個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的量子計(jì)算架構(gòu)。

然而，這種被稱(chēng)為天使粒子的 Majorana particle 截至目前為止仍然只存在于理論當(dāng)中，還沒(méi)真正被發(fā)現(xiàn)。

那要做出既小又容易規(guī)模化的量子計(jì)算架構(gòu)是不可能的事情？非也，正如之前所述，目前富士通與英特爾都已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域有了突破性的發(fā)展。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在半導(dǎo)體量子計(jì)算芯片研究方面則是通過(guò)量子點(diǎn)技術(shù)推動(dòng)量子計(jì)算的半導(dǎo)體化路線。

富士通將半導(dǎo)體量子計(jì)算帶入商業(yè)化，但其他技術(shù)還要一段時(shí)間

由于基于物理仿真的數(shù)字退火技術(shù)在理論上更為成熟，且在應(yīng)用上也更偏重于特定計(jì)算，而非通用，所以商用化的腳步也如老大哥 D-Wave 的量子退火般走的最快，但其缺點(diǎn)在于整個(gè)計(jì)算體系與目前的計(jì)算架構(gòu)并不兼容，在生態(tài)經(jīng)營(yíng)上的難度較高。

而英特爾則是打算要將硅自旋量子打入一般日常計(jì)算環(huán)境中，作為取代傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)的強(qiáng)力武器，因此通用是無(wú)法被舍棄的一點(diǎn)。但也因?yàn)槿绱耍湔嬲呷肷逃没峙逻€要好幾年的時(shí)間。

撇除目前量子霸權(quán)的爭(zhēng)議，傳統(tǒng)超導(dǎo)量子計(jì)算已經(jīng)先后步入商用化，而基于半導(dǎo)體工藝的量子計(jì)算也超越市場(chǎng)的期待，開(kāi)始在技術(shù)研發(fā)上嶄露頭角，雖然除了最老牌的退火技術(shù)以外，其他瞄準(zhǔn)通用量子計(jì)算的商用時(shí)程都可能還要數(shù)年之久。

即便如此，這些技術(shù)的進(jìn)展揭示了我們?nèi)粘Ｊ褂玫挠?jì)算架構(gòu)都有可能走向量子計(jì)算的可能未來(lái)，雖然目前還很難想象，但可以肯定的是，通過(guò)量子計(jì)算帶來(lái)的龐大算力，屆時(shí)我們身處的世界將與現(xiàn)在有著極大的不同。