量子计算机竞赛升温

多年来，各国一直在为开发世界上最快的超级计算机而展开激烈的竞争。美国和日本在这一领域一直领先，直到2010年，中国推出了世界上最快的超级计算机，震惊了整个市场。如今，中国的超级计算机速度达到每秒33.86千万亿次，继续在这一领域处于领先地位。

在超级计算机竞赛继续展开的同时，另一个高端系统领域——量子计算领域也在酝酿着一场战斗。事实上，亚洲、欧洲和美国的一些机构正在加速开发量子计算机，据称量子计算机的速度比今天的超级计算机还要快。

量子计算机仍处于研发阶段，正在快速发展。例如，美国国家安全局(NSA)正在研究量子计算机。最近，初创公司D-Wave将世界上第一台量子计算机交付给谷歌、NASA和一个研究小组的合资企业。此外，IBM、研发机构和大学也在开发这项技术。

在经典计算中，信息以比特存储，比特可以是“0”或“1”。同时，在量子计算中，信息以量子比特或量子位存储，量子位可以以“0”或“1”或两者的组合的形式存在。与快速连续处理信息的经典计算机不同，量子计算机并行检查许多不同的可能性。叠加态使量子计算机能够一次执行数百万次计算。增加量子比特的数量会成倍地增加这种并行性。

但就像今天的计算机一样，量子计算机中使用的组件是硅基设备。量子器件不是最先进的芯片，但它们是使用当今的晶圆厂和工具制造的。

由于最近在设备方面的一些突破，量子计算机正朝着它们的最终目标迈进一步——这些数字处理系统可以在合理的时间内破解世界上最复杂的算法。这包括肖的算法这是一个整数分解问题，可以用来破解被广泛使用的公钥加密方案RSA。

“量子计算机可以更快地解决这个逆向问题，”半导体研究公司(SRC)纳米电子研究计划(NRI)的执行董事托马斯·泰斯说。“美国不希望另一个国家拥有这种能力。这推动了(量子计算领域的)大量投资。”

然而，问题是量子计算是一种可行的技术还是仅仅是炒作。D-Wave最近提出的许多主张都受到了IBM和其他专家的质疑。而全面的“通用”量子计算机的发展，即使不是几十年，也需要几年的时间。

“还有很长的路要走，”领导IBM实验性量子计算团队的IBM研究人员马蒂亚斯·斯特芬(Matthias Steffen)说。“很难预测这些应用在量子计算中的影响有多大。此外，我们也不知道需要多少物理计算步骤来进行纠错。而且我们对系统的时钟速度也没有很好的把握。”

量子机器的灵魂
自20世纪80年代量子计算领域成立以来，大量实体一直在追求这项复杂、令人困惑且经常被误解的技术。澳大利亚悉尼新南威尔士大学量子计算与通信技术中心(QCCT)主任米歇尔·西蒙斯(Michelle Simmons)说:“量子计算机(在所有任务中)不一定胜过传统计算机。”

量子计算机擅长处理特定的算法。在一个例子中，一个销售人员想要用最短的路线前往许多城市。如果推销员去了14个城市，那就等于10的11次方。西蒙斯说，一台1GHz的经典计算机可以在100秒内解决这个问题。

如果销售人员去了22个城市，那就相当于10的16次方。她说，一台1GHz的经典计算机在1600年内都无法解决这个问题。“在量子计算中，它可以在一个实际的时间框架内更快地完成，”她说。

IBM的斯蒂芬从另一个角度来看待这个问题。“你可以用一台传统的计算机来解决问题。解决问题所需的资源数量随着问题的规模呈多项式增长，”他说。“然后，有一类问题呈指数级增长。它们是可伸缩的。即使你把问题的规模扩大一点，基本上也不可能解决它。值得注意的是，量子计算机可以解决属于这一类的某些问题，并使它们可伸缩。”

然而，在社区中，关于量子计算机的总体定义存在争议。去年，D-Wave将其512量子位的量子计算机交付给了量子人工智能实验室(quantum Artificial Intelligence Lab)，这是NASA、b谷歌和大学空间研究协会(Universities Space Research Association)合作的项目。D-Wave的处理器采用标准半导体工艺制造，将超导通量量子比特和约瑟夫森结结合在一起。
D-Wave系统的初步结果好坏参半。“D-Wave目前追求的系统并不是量子通用的。例如，它不能做因数分解算法，”IBM的Steffen说，他指的是肖尔算法。

什么是量子计算机?
事实上，IBM和其他公司正在开发真正的“通用”量子计算机。“通用”一词指的是能够利用量子计算能力的系统，包括肖尔算法。

理论上，一台30量子位的“通用”量子计算机可以胜过今天的超级计算机。今天，IBM正在开发100量子位的“通用”量子计算机。然而，IBM只展示了一个3量子位的设备。事实上，世界上最先进的设备可以说是一个14量子比特的芯片，这意味着该技术仍处于起步阶段。

“如果你想拥有一个最终可以做一些有用的事情的系统，你可能需要数百万个量子位。三百万和百万之间有很大的差距。这需要结束。”

100量子位系统也是一台潜在的强大计算机。“以量子态的量子寿命时间来衡量的内在设备性能，现在已经足够好，你可以想象将多达10个量子位串在一起。在大多数情况下，10个问答题你仍然可以得到正确答案。”“在未来几年内，我们将看到10到100量子位的系统。这里真正重要的是展示逻辑量子位的能力。逻辑量子位是执行纠错的量子位。但没有人能在实验室里证明这一点。这将是为构建更大的系统奠定基础的圣杯。”

显然，这个行业需要一些突破。“问题是如何在芯片上放置10或100个量子比特?”他说。“你怎么控制他们?”如何确保设备性能不会下降?你要怎么写软件呢?”

然而，多年来，该行业已经证明了制造量子芯片的能力。简单来说，有八种不同的方法，或所谓的物理系统，来制造这些设备:光子;光的相干状态;电子;核;光学晶格;约瑟夫森结;单电荷量子点对;还有量子点。

“每一种都有自己的优点和缺点，”斯蒂芬说。“例如，你的量子比特可以是一个离子。离子的寿命长得令人难以置信，但它们真的不想相互作用。所以离子配对是很有挑战性的。”

IBM正在追求约瑟夫逊结路线采用超导技术。“这很简单，”他说。“我们现在可能可以制造出一个有100甚至1000个量子比特耦合在一起的芯片。但其内在性能远不及离子。”

这项技术与D-Wave的量子位不同。IBM的3量子位器件由两个组件组成——一个电容器和一个约瑟夫森结。约瑟夫森结包括一个薄薄的绝缘层，它被两个超导金属夹在中间。约瑟夫森结材料是铝和氧化铝的组合。“你可以把它想象成一个感应器。电容器被用来形成小的量子谐振器。所以基本上，它是一个非线性量子谐振器。在我们的案例中，这是一个量子位，”他说。

IBM的设备可以保持其量子态长达150微秒。该设备本身不需要最先进的光刻技术。该装置的尺寸约为200 × 400微米。在制造方面，IBM的设备使用300毫米晶圆制造。“我们使用标准工具，”他说。“这些技术是兼容的，与我们在硅制造中使用的技术是相同的。”

与此同时，澳大利亚的QCCT正在寻求一种基于电子和原子核两种技术的不同途径。该小组设计了一种基于量子比特的设备，它由两个门组成——a门和j门。a门控制核自旋量子比特和电子自旋之间的相互作用。j门控制着自旋之间的交换相互作用。

受IBM委派的NRI的泰斯表示:“这些设备与我们过去使用的设备完全不同。”“(QCCT)已经证明了制造设备是可能的。我没说这在经济上可行。他们用来在这些结构中放置掺杂剂的工具比原子键要好得多。他们使用磷作为掺杂剂。”

QCCT开发了两个流程。在一个流程中，该团队可以使用离子注入设计基于供体的量子比特。QCCT的Simmons说:“这是将传统的离子注入降低到单电子水平。”“我们采用抗蚀剂结构，并将PMMA放下。然后，我们打开这些引导孔，进行毯子植入。”

在此过程中，该小组展示了具有门控电子通道的mos器件。该装置也由磷离子组成。“当我们给它通电时，就会产生磁场，”她说。

在第二个流程中，该小组设计了一种原子制造工艺。“我们正在使用的另一种方案是用扫描隧道显微镜(STM)将磷原子(放入设备中)，”她说。“我们首先必须在硅晶体中放置注册标记。然后，我们在表面放上一层氢，作为原子尺度的掩膜。”

然后，STM在抗蚀剂上蚀刻孔，露出结构下面的硅。将磷化氢气体应用于该结构。“然后我们用STM尖端对我们在表面上制作的图案进行成像。使用注册标记，我们在设备上进行联系。”

与此同时，在最新的突破中，布里斯托尔大学在量子芯片上产生并操纵了单个光子粒子。研究人员开发了一种绝缘体上硅(SOI)器件，该器件将干涉仪中的两个四波混频源与可重构移相器结合在一起。

显然，量子计算仍处于早期阶段。当这些系统最终出现在市场上时，它们可以解决科学领域的几个问题。但也存在一些令人不安的隐私和数据安全问题。尽管如此，竞技场上的竞争仍在进行，这反过来将在未来几年引发哲学辩论。