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大数据疾呼,超导量子计算竞争又一高度!

木马童年 2017-8-17 10:16 390 0

核心提示:01 大数据时代下呼唤量子计算机关于信息技术进步的速度,大家都听说过“摩尔定律”——每十八个月,集成电路芯片上所集成的电路的数目就翻一倍,虽然这并不是一个严谨的科学定律,但是也反应了在信息化大 ...

01 大数据时代下呼唤量子计算机

关于信息技术进步的速度,大家都听说过“摩尔定律”——每十八个月,集成电路芯片上所集成的电路的数目就翻一倍,虽然这并不是一个严谨的科学定律,但是也反应了在信息化大数据时代,人类对计算能力指数增长的期待。

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但可以肯定的是,现有基于半导体芯片技术的经典计算机,芯片集成密度不可能永远增加,总会趋近于物理极限,应付日益增长的数据处理需求可能越来越困难。尤其是面对一些如大数分解、量子多体系统的模拟等极端复杂的计算问题,真要等经典计算机算出来,可能已经过去了成千上万年。因此,人类必须要探索一种全新的、计算能力超越现有经典计算机的新一代计算机,而量子计算便是其中最受瞩目的方向之一。

我们知道,经典计算机是用所谓的“比特”表示信息位,这个比特呢,要么是0,要么是1。量子计算机同样是需要用“比特”来表示信息位,但是他的奇异之处在于,这个比特可以处于0和1之间任意比例的叠加态,这就是我们经常听到的“量子叠加”。这意味着什么呢?我们来做一个简单的小对比:假设一台经典计算机有两个比特,在某一时刻,它最多只能表示00、10、01、11这四种可能性的一种;而量子计算由于叠加性,可以写成


大数据呼唤 超导量子计算成竞争高地

也就是说,它可以同时表示四种信息状态。别小看这多出来的三倍信息,我们可以想象,如果不止两个比特呢?

对于经典计算机来说,N个比特只可能处在2N个状态中的一种情况,而对于量子比特来说,N个量子比特可以处于2N个态任意比例叠加。理论上,如果我们对N个比特的量子叠加态进行运算操作,可能等于同时操控2N个态。也就是说,随着可操纵比特数增加,信息的存储量和运算的速度会呈指数增加,经典计算机将望尘莫及。据科学家估计,一台50比特的量子计算机,在处理一些特定问题时,计算速度将超越现有最强的超级计算机。

02实现起来不简单

既然量子计算机听上去这么牛掰,怎么不赶紧问世呢?那是因为量子计算机实现起来非常困难。微观粒子的量子特性往往十分脆弱,容易被外界温度、电磁场干扰,非常难以被操控和观测。数十年来,科学家尝试了各种可能的方案来实现量子计算机,包括超导电路、光子,冷原子、离子阱、光晶格、量子点、核磁共振等等。其中超导量子计算方案是近年来备受关注的一种。

超导体系用于实现量子计算有一些独特的优点:在超导体这种特殊系统中,电子不再被看作是一个个微不可分、飘忽不定的粒子,被“凝固”成一个整体的态,使得神秘的量子特性可以在宏观大小的超导线路上直接观测到;在实验中,超导量子处理器制备在一个几毫米大小的固体芯片上,利用成熟的微纳加工工艺,可以设计制备各种超导量子线路,也便于集成化。

03超导量子计算机长啥样

大家知道,现在的经典计算机里的器件是一些半导体晶体管,对于一个经典的CPU来说,电压的高低就代表了“0”或“1”,而通过这些半导体元件和线路就可以实现诸如“与”、“非”、“或”等各种逻辑运算。

同样的道理,超导线路构成的量子“CPU”也一样需要这些元件,然而这些元件都是超导体系特有的非线性元件,比如由超导材料组成的电容、电感以及约瑟夫森结。其中,最有意思的就数这个约瑟夫森结了。

在之前有关超导的科普中,小墨和大家提过这个叫做约瑟夫森结的神奇的物件,它就像一个三明治——两个导体夹着一层薄薄的绝缘体,电流居然可以贯穿其中。其实,由于量子力学原理,这个约瑟夫森结还有很多神奇的效应,在温度很低的情况下,电子的行为可以看做一个二能级系统,这个二能级系统就像电子居住的两层楼——它可能住上面一层,可能住下面一层,还可能两层同时住,即住在“叠加态”,这就是一个很好的量子比特啦。此外,电子的电荷状态也可以用0、1或0和1的叠加态来表示,这两种方式都可以用来很好地表示量子比特位。基于这个基本单元,再加上电容、电感来实现量子比特间的耦合,原则上可以实现不同需求的量子计算。


大数据呼唤 超导量子计算成竞争高地

实际实现起来,超导量子计算机有一个很大的优势,约瑟夫森结以及构成超导电路的其他部件都是采用光刻、电子束曝光、沉积镀膜、刻蚀等一系列薄膜微纳加工技术制备的,所有这些工艺步骤都与现有半导体芯片加工工艺非常类似,所以超导量子器件易于加工、集成、组装,甚至在设计、仿真等阶段都可以借鉴或使用现有的成熟半导体芯片技术手段,所以超导量子计算机相对容易实现大规模集成化。

但是,超导量子比特是个娇贵的“豌豆姑娘”,它的量子态很脆弱,微小的外界扰动都会破坏量子态,所以需要严格避免外界噪声干扰,以提高超导量子比特的寿命。通常,超导量子计算机处理器安装在一台特殊制冷机内部,冷却到零下273.13℃(20mK),并加上各种隔离外界噪声的屏蔽措施,只有在一个极稳定的环境中,超导器件自身微弱的量子特性才体现出来。然后,我们通过连接到量子处理器的控制和探测线路对量子“CPU”上每个量子比特进行操控,实现各种量子算法,完成复杂的计算任务。


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04超导量子计算成竞争高地

近年来,随着超导量子比特寿命的一再提升,科学界普遍认为超导量子体系最困难的问题已经得到了至少部分的解决,有望率先走向实用。目前,国际上包括Google, IBM, Intel在内商业巨头都已经率先将目光投向了超导量子计算机。该领域的竞争可以说日趋白热化,Google和UCSB的联合研究团队已宣称正在研制一台50比特的超导量子计算机,据估计,这种规模的量子计算机一旦问世,将会在某些特定任务上击败现有的超级计算机,实现“量子称霸”。

我国在超导量子计算实验领域起步较晚,但近年来取得了可喜的进步,已初步跻身于该领域的第一集团。在潘建伟院士领导下,中国科学技术大学组建了超导量子计算实验室,这个实验室联合了多学科多背景的科学和技术专家,搭建了一整套比较完善的系统,从芯片研发加工、测试到量子调控测量,可是说是一个全方位的超导量子计算机研制实验平台。

最近几年,在与浙江大学、中国科学院物理研究所等小组的通力合作下成就喜人:2014年,实验室于研发出了第一代由3个量子比特组成的超导量子处理器,量子比特量子特性寿命达到5微秒;其后,通过改进设计、工艺,在2015年团队成功研制出第二代超导量子处理器,量子比特量子特性寿命达到20微秒,接近国际上最好水平;2016年初,在第三代超导量子处理器上,所集成的比特数达到6个,该团队通过对该处理器上的4个量子比特所实施的多量子门操作,成功演示了一个2维线性方程组的求解;2016年下半年,成功研制了第四代10比特量子处理器,并成功演示了10个超导量子比特纠缠,这项工作打破了超导量子比特美国之前保持的9比特操控记录,实现了世界上最大数目的超导量子比特多体纠缠。

目前,中国科学技术大学朱晓波教授、陆朝阳教授与浙江大学王浩华教授和中科院物理所郑东宁教授在潘建伟院士的带领下,正紧密合作,在前期工作基础上,力图研发更多比特数目及更高性能的超导量子处理器,预计在2017年底所集成的量子比特数目将达到20个。此外,该小组计划于2020年以前实现50个量子比特的量子计算原型机,并演示其在某一特定任务上压倒超级计算机的计算能力。如果成为现实,将成为中国小组为实现真正实用化的量子计算机所跨越的标志性一步。


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