個小能量大 解密自旋量子位芯片

技術(shù)宅

量子芯片 一個日益火熱的概念

說到量子，可能很多朋友還有些許陌生。不過關(guān)心芯片科技的朋友都知道，現(xiàn)在傳統(tǒng)計算機發(fā)展中逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問題。以往一直在芯片替代速度上戰(zhàn)無不勝的摩爾定律逐漸失效，因為隨著芯片速度的發(fā)展，芯片功耗和通信已經(jīng)成為限制芯片發(fā)展的瓶頸。

我們以CPU發(fā)展為例，AMD的最新32核處理器TDP功耗達到了250W。Intel的28核處理器則要300W，據(jù)說需要一臺功率超過1000W的電源才能帶動，顯然這樣的功耗會讓人無法承受（圖1）。

另一方面，隨著CPU性能的提升，它所需的通信帶寬也呈現(xiàn)成倍的增長。比如上述28核處理器支持雙路/四路/八路擴展，每路三條UPI總線（速度達到10.4/9.6GTs）。對于整機性能來說要實現(xiàn)CPU火力全開，這就得需要內(nèi)存、顯卡、硬盤等同樣具備高速的通信性能。這些硬件通信速度已經(jīng)達到極限，因此傳統(tǒng)的芯片亟需一種更新的技術(shù)來進行替代。

為了解決功耗墻、通信墻等系列問題，現(xiàn)在芯片廠商使用“量子芯片”技術(shù)來實現(xiàn)更新?lián)Q代。量子計算的基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務(wù)。量子計算機具有超高的計算能力和極低的功耗，比如超級計算機神威·太湖之光，運算速度是每秒9.3億億次；而一臺50量子比特的運算速度將達到每秒1125億億次，瞬間秒殺世界最強超級計算機（圖2）。

個小能量大 自旋量子位芯片

正是看到量子計算超強的計算能力，目前英特爾研究人員正在開發(fā)的新型“自旋量子位”芯片，就是英特爾量子計算機向前邁進的標志。

首先這種芯片的量子比特非常小，大約50nm（1500個量子比特約與人的一根頭發(fā)直徑相當），這意味著英特爾未來的量子計算機芯片可能會包含數(shù)千甚至上百萬的量子比特。現(xiàn)在僅僅一臺50量子比特的運算速度將達到每秒1125億億次，瞬間秒殺世界最強超級計算機，可以想象如果量子比特呈幾何倍級的增加時，它們的計算能力有多么恐怖（圖3）。

其次這種自旋量子芯片不包含晶體管，但是可以容納單個電子的量子位。這些單電子的行為可以同時處于多個自旋態(tài)，比現(xiàn)在的晶體管具有更強的計算能力。比如英特爾最新的3-8121U處理器，其每平方毫米的晶體管數(shù)量高達1億個，但是自旋量子芯片不包含晶體管，這樣在同樣的范圍內(nèi)，新型的處理器就可以容納更多數(shù)量的量子，從而大幅提高處理器的計算能力，同時又不會占用更多的封裝體積（圖4）

另外一方面，量子并行計算特性可以使高速計算能力進一步加強。在傳統(tǒng)計算機里，存儲的信息單位是比特（bit），比特使用二進制，也就是說一個比特表示的不是“0”就是“1”。在量子計算機里，它的信息單位是量子比特（qubit），量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，甚至還可以是“1”和“0”的疊加狀，即同時等于“0”和“1”。在理論上，2個量子比特的量子計算機每一步可以做到2的2次方，也就是4次運算，所以說，50量子比特的運算速度（2的50次方=1125億億次）。這樣通過并行運算，可以讓量子計算機擁有超高的計算能力（圖5）。

量子芯片 給我們的生活帶來更多愜意

通過上面的介紹，我們知道量子計算機可以實現(xiàn)超高的計算能力，同時不可復(fù)制，這些特性可以為我們的生活帶來很多便利。

比如在日益發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)活動中，如何更好地保護用戶的隱私是安全廠商一直在努力的方向。因為量子不可克隆的原理，用戶所在網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于搜索、支付等的私密信息任何人都不會得到保存?zhèn)浞荨Ｒ簿褪钦f如果量子計算機普及后，用戶的搜索、在線支付、語音通信等均可以實現(xiàn)搜后即刪、輸后即消的完美體驗，有效保護我們的隱私信息不會被泄露。

當然借助量子計算超高的計算能力，在需要復(fù)雜計算的領(lǐng)域，比如天氣預(yù)報、新藥研發(fā)、基因測序等領(lǐng)域，量子計算都可以發(fā)揮極大的作用。在不久的未來，也許我們出門前就可以精確查到半小時，甚至幾分鐘后準確的天氣狀況。而新藥研發(fā)速度加快，則可以為每個人的健康帶來更多的呵護。

正是看到量子計算的超強能力，現(xiàn)在各大IT巨頭也在發(fā)展自己的量子計算技術(shù)，比如百度宣布成立量子計算研究所，開展量子計算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用業(yè)務(wù)研究；阿里云成立了「中國科學院 - 阿里巴巴量子計算實驗室」，開展量子計算的研究；騰訊SNG也于2017年12月宣布成立量子實驗室；IBM已經(jīng)通過IBM Q體驗網(wǎng)站上線了5量子比特和16量子比特的系統(tǒng)，以供公眾訪問（圖6）。我們期待量子技術(shù)早日造福人類生活！