走進大眾視野的量子計算機
【獵雲網（微信號：）】11月2日報道（編譯：Anna）
量子計算機的發展方向如今尚不明確，但是對於國家政府和很多公司而言，量子計算的研究方向並不是量子優勢、量子至上或者量子計算機在完成特定任務的過程中可以勝過傳統計算機的優點。
全球都在為了量子計算機而競爭。最新資料顯示，位於加州的Rigetti正處於這場比賽的領先位置，它的目標是在一年內造出一臺128位元的計算機。
量子位元比傳統計算機的位元要厲害得多。傳統計算機的位元不是“0”，就是“1”。但是量子位元不同，它利用電子自旋的優勢，可以同時為“0”和“1”。量子計算機的一個特點是它能夠有效地通過各種不同的結果來檢測系統故障。這些系統故障包括從加密破壞和路徑故障到神經形態計算和分子建模的所有問題。根據《科學》最近發表的一篇文章表明，有些行業有可能將實現指數級加速。
但現在說這個還太早。即使是研究量子資訊理論的領先企業IBM，也似乎已經厭倦了這種炒作。當然，IBM也希望可以將量子計算機技術商業化。和Rigetti和D-Wave一樣，IBM最近向全球初創公司開放了自己的雲端資源。
英特爾專門研究量子計算技術總監吉姆克拉克（Jim Clarke）表示，想要創造出真正的量子計算機仍然需要克服重重障礙。他說：“要想量子計算機大眾化，我們需要克服在科學和工程技術領域的各種問題。”
英特爾認為自己已經找到了解決方案。它最近釋出了一種量子晶片。這種量子晶片的體積非常小，即便將它放在橡皮擦上也不會掉下來。該晶片由大量量子位元組成，每個量子位元比一根頭髮還小一千倍。在典型的超導量子計算機中，量子位元存在於被冷卻到超低溫的超導線路中。英特爾的無晶體晶片依賴於易於控制和獲取的傳統元件——矽片。一些研究人員表示，刺激行業發展的傳統矽片將成為量子計算機發展下一階段的關鍵。
“我十分看好英特爾spin qubits晶片的發展前景。”普林斯頓大學物理學教授傑森佩塔（Jason Petta）說。他最近有一篇論文發表在《自然》雜誌上，該論文描述了他的團隊如何成功通過量子計算晶片傳遞有關電子自旋的資訊。
Petta的團隊向人們展示瞭如何利用光有效地處理資料。利用微波場，他們能夠在原子（電子）和光（微波頻率照片）之間交換一定量的能量。結果是一個簡單又可程控的系統：單個電子的量子控制有可能將資訊傳送到一釐米之外的另一個量子位。
那麼矽會在哪裡發揮作用呢？當基於矽自旋的量子處理器工作時，兩個粒子即電子和光子需要結合。但除非電子被隔離，否則這種情況不會發生。因此，研究人員建立了一個稱為雙量子點的陷阱指令：它是一個微小的矽腔，可以將電子保持在一個位置足夠長的時間，使其電荷自旋結合。
在此過程中，矽是關鍵。它具有容納特殊電子自旋軌道相互作用的獨特能力，只需使用電力就可以執行。這些相互作用在矽中持續的時間通常比在其他材料中持續的時間更長，但是也可能難以控制。
為了解決干擾問題，包括來自裝置本身的核，Petta和他的團隊採取了一系列雙量子點。雙量子點效果比單量子點效果好，因為電子能夠來回轉換它們的自旋狀態，使得精心設計的資訊交換過程能夠順利進行。
Petta說，新的研究表明矽量子晶片有可能實現量產。相關量子計算研究人員也可能因此獲利。
“作為計算機的基本量子電路，單量子位元與超導量子位元不相上下，也是我們固態晶片領域最直接的競爭對手。”Petta說。
矽量子位元大約比超導量子位元小一百萬倍，這使工程師們能夠將更多量子位元集合到單個晶片上。克拉克（Clarke）說，這種規模優勢有助於擴大量子計算機的規模和路徑。
克拉克（Clarke）說：“這將比使用超導量子位元更容易，雖然還有待證實。”
他補充道，相對於超導量子位元，矽量子位元執行環境的溫度要稍微高一點。“這意味著你需要將積體電路放在更接近量子位平面的位置。如此一來，控制電子裝置的空間將會更加緊密。”他說道。除了有助於裝置更快地執行以外，矽片還可以促進那些需要獨立空間的裝置小型化。
Petta的論文描述的裝置只有兩個量子位元。Petta表示要增加量子位元的規模將需要很長的時間。他的實驗室現在正在研究的是具有四個量子位元的裝置。
“我們計劃未來可以研究具有九個量子位元的裝置，這將耗費我們好幾年的時間。而且超過數十個量子位元的規模需要更大量的工程研究。”他說。
英特爾正在與另一個開展矽量子計算研究的團隊合作，即荷蘭代爾夫特理工大學的Vandersypen實驗室。英特爾承諾在10年內對該研究專案投入5000萬美元。該公司在位於俄勒岡州的公司總部附近製造晶片，並將晶片運往代爾夫特，以進行量子研究。
該實驗室最近在《Nature》上發表的一篇論文描述瞭如何利用矽創造出能夠處理量子演算法的處理器。他們建立了一個由雙量子點組成的可程式設計計算機，即在基於矽的裝置中的雙量子位元處理器。他們執行的一種演算法，被稱為Grover搜尋演算法，以其能夠比傳統計算機更快地在資料庫中挖掘資訊而聞名。
儘管如此，這些實驗過程無法等同於基於矽的量子計算機在工廠車間大量生產的過程。“在很大程度上，他們不需要與設計整體順序計演算法的人合作。”Clarke分別舉了Petta和Vandersypen描述過的雙量子位元裝置的典型例子。
擴大量子位元的規模
未來的量子計算機將不僅僅是一個量子處理器，就像現在的計算機不僅僅是一個微處理器一樣。大規模生產依賴於許多移動部件，從控制電子裝置到演算法架構。
重大的技術問題仍未解決。這些問題如此複雜，以至於總是無法完全解決。比如，你能使兩個量子位元在保持足夠高且必要的保真度的同時進行互動作用嗎？就算你能夠讓這兩個量子位元相互作用，那麼如果是四個量子位元呢？或者更多呢？
“每個量子位元都有自己的特點。”克拉克（Clarke）說。即使是具有90％保真度的量子裝置也不能夠進行大規模生產。然而，研究人員還在堅持解決這個問題。今年，有個團隊利用天然矽達到了超過60％的保真度，還有一個團隊最近利用同位素富集矽將雙量子位元的保真度提高到將近95％。
“顯然，要實現99％以上的保真度還需要耗費大量的時間和精力，但其增長趨勢還是非常可觀。”Petta說。“我們很清楚哪些問題需要我們時刻注意，才能提高雙量子位元的保真度。”
另一個限制是控制電子裝置的速度問題：它們對於自旋量子位元來說還不夠快。
“這些量子位元不會長時間存在，”克拉克（Clarke）說。它們持續存在的時間太短，無法在大規模的系統中工作。儘管相關研究人員已經提出了可以對生命支援進行量子比擬的演算法，即延長其壽命，但這尚未得到證實是否真的有效果。
Petta強調，還有一個關鍵的限制是原材料。就化學純度和同位素富集而言，自旋量子需要純度非常高的矽。
“到目前為止，美國尚未表示支援採集自旋量子位元相關材料的重大專案。我想不久之後就可以看到美國為了自旋量子位元所需的材料做出努力。”他說。
美國華盛頓一直對量子計算機技術很感興趣。美國能源部最近宣佈，它將為全國85個量子研究專案投入2.18億美元。同時美國國家科學基金會將撥款3100萬美元用於量子研究。Petta對自旋量子位元的研究也得到了美國國防部的資助，因為美國急於在這場量子計算機競賽中擊敗中國這個強勁對手。
通過國會的議案也可以帶來更多資金。眾議院已經批准了《國家量子倡議法》。如果該法案通過了參議院批准，該法案將提供13億美元，以支援未來10年對量子計算機的研究。
與此同時，Rigetti也表示向能夠在其128位元的系統上構建應用程式的團隊提供100萬美元的獎金，因為這充分展示真正的量子優勢。一般來說，人們認為量子計算機需要使用至少50個量子位元，才能真正超越傳統計算機。
不過，估算是一個不容小覷的問題。克拉克（Clarke）表示，為特定計算任務實現量子優勢所需的量子位元數量很大程度上取決於任務本身。在英特爾，他曾使用蛋白質摺疊作為內部倡導量子計算的示例目標，但相信使用其他材料完成任務將需要更長的時間。
“我認為密碼學非常複雜，因此第一代或第二代量子計算機對我們的生活可能不會產生太大的影響，”他說。“如果要使量子計算機真正改變我們的生活，這將需要一百萬個量子位元。我們還有很長的路要走。”
AD：12月7-8日，北京望京凱悅酒店！獵雲網邀您共赴創投盛宴“ ofollow,noindex">聚勢謀遠 創變未來—2018年度CEO峰會暨獵雲網創投頒獎盛典 ”，24大獎項 330榜單釋出 3000＋參選企業! 評選火熱進行中，歡迎報名參與！