中国成功研发半导体量子芯片 经典计算机或被颠覆

　　近日，据报道，我国量子计算机研究取得突破性进展，中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片。

　　量子芯片相当于未来量子计算机的“大脑”，研制成功后可实现量子的逻辑运算和信息处理。有了计算，量子的存储及控制技术也必不可少。这款三明治型的固态量子存储器，在低温有磁场的辅助设备中才能工作。

　　中科院的这一个研究成果给中国量子计算领域带来了一股新的清流。

　　为什么要研究量子芯片

　　要说这个，就必须从半导体的芯片发展说起。

　　自从Intel创始人摩尔提出了指导半导体芯片业发展的“摩尔定律”以后，芯片上的晶体管数量就遵循每两年翻一番的这个约定俗成的定律。包括做光刻机的ASML，做芯片生产的Intel、TSMC和三星在内的众多企业为保持摩尔定律的继续有效，做各种技术改进。而芯片的制造工艺也来到了16nm，而10nm也都快要上马了。但业界认为，摩尔定律会很快失效。

　　《自然》杂志曾经在报道里面声称，现有的芯片设计工艺已经达到10nm，预计2020年达到2nm。而达到这个级别上的晶体管只能容纳10个原子，电子的行为将不再服从传统的半导体理论，此时晶体管将变得不再可靠。这样就限制了芯片性能的提升，使得经典计算机的性能无办法提升，这种环境下就推动了量子计算机的产生。

　　图一 现用芯片设计工艺的发展趋势

　　从任务处理上看。经典计算机一次运算只能处理一个任务，而量子计算机则一次运算中可以同时处理多个计算任务，计算效率大幅提升。这就使量子计算机成为研究关注的重点。

　　我们知道在传统计算机领域，其关键的处理器市场几乎被AMD和Intel垄断，而由于生态和技术的原因，我们在这个领域一直是举步维艰。而新的量子计算机的出现，几乎让大家又回到了同台竞争的位置。

　　为了卡位量子计算，在下一代的计算机中争取话事权，于是中国就投入了量子计算机的研究，当中就以文章开头提到的中科院实验室最为知名。

　　量子计算要怎样实现

　　为了搞清楚这个问题，我们先要了解一下量子计算的原理。

　　量子计算机的基础计算能力来源于一种想法，也就是您可以将信息比特放进状态中的叠加态。您可以想象成这么一种情况，量子比特还没有决定它将成为那种状态。有人喜欢把这种叠加态看作“同时拥有两种状态”。

　　而要真正做出来量子计算机，需要满足三个基本条件：量子芯片、量子编码和量子算法，它们分别是实现量子计算的物理系统（即硬件）、确保计算可靠性的处理系统和提高运算速度的关键（即软件）

　　关于物理部分，中科院的郭光灿院士曾经说过：

　　我们首先需要明确一个概念，量子计算机这个概念应该是费曼在1981年提出的，而量子信息的单元称为量子比特（qubit），它是两个逻辑态的叠加态。量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2N（N是上角）个可能数据当中的任一个，若它是量子存储器，则它可以同时存储2N（N是上角）个数，而且随着N的增加，其存储信息的能力将指数上升，例如，一个250量子比特的存储器（由250个原子构成）可能存储的数目比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。

　　从现在的发展状况上来看，量子计算的物理系统有很多方案，包括了核磁共振系统，低温超导系统，光子量子系统等。这些都是非常好的物理实现方法。

　　图2：量子计算的物理实现方案

　　跟经典计算机一样，量子计算同样需要优秀的算法，才能使计算能力尽量使用。关于这方面，知乎用户huang莱因哈特有一个比较相信的解析：

　　“对于量子计算来说，就需要量子算法来使得量子计算机的计算速度得到最大的利用。比较著名的是shor，Grover，quantum random walk。要找到一个量子算法超越所有的经典算法还是有难度的，当然很多人在做，而且这里也很多关于这些的回答，我也只做过quantum hidden markov model，发了一篇文章就转向做实现去了，所以我也不去凑这个热闹啦。

　　经过几十年的发展，量子计算机已经迈进了一个新阶段。

　　图3：量子计算机的发展史