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為實現(xiàn)量子計算,我們還需要做些什么

獨愛72H ? 來源:雷鋒網(wǎng) ? 作者:雷鋒網(wǎng) ? 2020-04-01 16:14 ? 次閱讀

(文章來源:雷鋒網(wǎng))

如何做一個量子計算機呢?有三個要求,首先要有量子比特;然后有一個高保真度的量子操作,所謂的量子操作,可以類比成經(jīng)典計算機里面的非門、與非門、或門這些基本的門操作;最后要執(zhí)行算法,就需要足夠多的量子比特進(jìn)行運算。

這三個問題看起來簡單,但做起來卻不簡單。首先,什么材料可以作為量子比特?現(xiàn)在人類已經(jīng)挖掘出非常多的量子計算載體,包括超冷原子、離子阱、光子、超導(dǎo)量子比特,都可以用來做量子計算。這些體系有各自的優(yōu)缺點,目前還不知道哪一種體系一定能夠最終實現(xiàn)量子計算,但目前發(fā)展比較快的是超導(dǎo)量子比特和離子阱。

超導(dǎo)量子比特最重要的優(yōu)勢,在于其結(jié)構(gòu)類似于電路,能夠采用傳統(tǒng)的集成電路工藝幫助快速實現(xiàn)大規(guī)模量子比特系統(tǒng)制造。

這種技術(shù)近幾年發(fā)展特別快,借用IBM和谷歌的研究,從上面左圖可以看到超導(dǎo)量子比特退相干時間大概兩到三年就會翻一倍,現(xiàn)在整個量子比特的性能也比十年前好很多。在2005年,退相干時間還是1微秒的級別,現(xiàn)在量子比特退相干時間已經(jīng)有幾百微秒。比特數(shù)量增加也非常快。

2019年谷歌發(fā)布了具有53個量子比特的芯片,其實在2017年的時候,谷歌已經(jīng)有72個比特的量子芯片,53對比72數(shù)量看起來沒有增加,其實復(fù)雜度比以前增加了很多。

某種程度上,53個量子比特能夠達(dá)到100多個比特的芯片級別。除了退相干時間和量子比特數(shù)量之外,超導(dǎo)量子比特門操作的保真度非常高,在2014年,已經(jīng)達(dá)到了99.4%,谷歌最新的量子芯片保真度會更高,可能有99.6%,超過了糾錯閾值。回過頭看,如何造一個量子計算機?首先我們要有量子比特,然后要有高保真度的量子操作,足夠多的量子系統(tǒng)。超導(dǎo)目前已經(jīng)大體能夠滿足這三個要求,此技術(shù)也達(dá)到了一個門檻。

量子芯片首先要有量子比特,有了量子比特,然后研究如何控制,隨后是讀取量子比特。在讀取和控制達(dá)到比較高的保真度之后,然后對量子系統(tǒng)做Quantum error Correction,也就是量子糾錯,此操作的主要目的是為了進(jìn)一步提升量子系統(tǒng)操控的精度。

其實,超過99%的操控精度,不夠?qū)崿F(xiàn)量子算法的實際應(yīng)用。但是科學(xué)家非常聰明,既然直接做出高保真度的門不容易,那為什么不使用很多個量子比特呢?所謂的量子糾錯就是借鑒經(jīng)典計算機糾錯概念,確保最后達(dá)成總的等效的量子操作,可以達(dá)到比較高的保真度。

在這個基礎(chǔ)上,可以依靠大量的量子比特達(dá)成非常高保真度的量子操作,用更多的量子比特實現(xiàn)有價值的量子算法落地,就到了Logical Quantum Processor,也就是邏輯層面的量子處理器。在邏輯層面需要突破的技術(shù)和物理層面的量子處理器一樣,需要控制和讀取,最后才能實現(xiàn)有價值的量子算法。

從最終的目標(biāo)來看,要實現(xiàn)量子計算應(yīng)用的落地,理論上大概需要達(dá)到100萬個量子比特,用這個數(shù)量做量子糾錯之后,會形成大約有1000多個邏輯量子比特的規(guī)模,如此規(guī)模足夠落地應(yīng)用。

從數(shù)據(jù)上來看,單比特門需要達(dá)到99.99%的精度,雙比特門需要達(dá)到99.9%的精度,讀取也需要達(dá)到非常高的保真度。目前雙比特門已經(jīng)可以到99.4%,保真度已經(jīng)非常接近算法落地的目標(biāo)。下一步重要的問題在于提高比特數(shù)量的同時,確保量子比特的門保真度不會下降,這也是當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要研究重點。

技術(shù)角度怎樣解決這兩個問題呢?先從超導(dǎo)量子比特角度,觀察超導(dǎo)電路轉(zhuǎn)化過程。上圖左邊是一張簡單的示意圖,線條可以認(rèn)為是超導(dǎo)體的線條,電路的下面有一個圓環(huán),圓環(huán)上面有兩個黃色的小方塊,這兩個小方塊叫約瑟夫森結(jié),用它可以組成超導(dǎo)量子干涉器,叫SQUID。

讀取就是上圖黃色標(biāo)記(Re-out),可以認(rèn)為通過一根輸入線和一根輸出線,就可以讀取量子比特的狀態(tài)。單個比特很容易畫電路結(jié)構(gòu),但如果有一排,只能借鑒印刷電路的結(jié)構(gòu),通過設(shè)計一排的量子比特來進(jìn)行量子計算的各個研究。

顯然一排的結(jié)構(gòu)不太適用于實際的應(yīng)用需求,還需要二維的陣列結(jié)構(gòu),但是二維的陣列結(jié)構(gòu)中量子比特的控制線以及讀取很難實現(xiàn)。這也是量子比特的數(shù)量提升會遇到瓶頸的原因。解決這個問題的基本思路是增加維度實現(xiàn)布線的可能性。2014年,谷歌已經(jīng)有了這個想法,通過借鑒傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝(Flip-Chip的工藝,倒裝焊)把兩個芯片對接扣到一起,從而實現(xiàn)布線。上圖右上角是谷歌的Sycamore處理器,它是由兩個芯片貼合而成,上面的芯片就是比特,下面芯片就是布線。

谷歌通過這種方式實現(xiàn)了二維比特陣列的控制和讀取。此概念可以再進(jìn)一步發(fā)展,不僅局限于兩個芯片,可以把很多層的芯片貼合到一起,這就是多層堆疊技術(shù),麻省理工Lincoln Lab也已經(jīng)實現(xiàn)這項技術(shù)。所以,在這樣的技術(shù)突破基礎(chǔ)上,布線可能就不會成為阻礙比特數(shù)擴張的攔路虎。

另一個問題是如何提升比特門的操作精度。目前,比特門的操作精度受限于退相干時間,簡單來說,這個問題已經(jīng)轉(zhuǎn)換成如何在提升比特數(shù)量的同時,還能夠提升量子比特的相干時間。

根據(jù)研究,可以認(rèn)為超導(dǎo)量子比特的退相干主要是受TLS影響,TLS就是兩級系統(tǒng)(Two level System),超導(dǎo)量子芯片的襯底和表面可能有一些缺陷雜質(zhì),能形成亞穩(wěn)態(tài)或者半能級系統(tǒng),會干擾超導(dǎo)量子比特的運行。提升超導(dǎo)量子比特的退相干需要把缺陷雜質(zhì)去除,把超導(dǎo)量子芯片電路做得越干凈,退相干性能就會變得越好。

所以,從根源上來說,需要從材料和工藝兩個方面進(jìn)行改進(jìn),從超導(dǎo)量子計算的發(fā)展來看,業(yè)界對材料做了非常多的創(chuàng)新和改進(jìn),兩到三年的時間增加了一倍的退相干時間。在超導(dǎo)量子比特剛剛出現(xiàn)時候,都沒意識到材料問題。因為超導(dǎo)量子比特出現(xiàn)非常晚,到目前為止,也就只有21年的歷史。今年是超導(dǎo)量子比特發(fā)現(xiàn)的第21年,它的退相干性能從小于一微秒,迅速提升到兩三百微秒,靠的就是材料和工藝的更新。

早期的量子比特用的都是非常傳統(tǒng)的材料,半導(dǎo)體經(jīng)常用到的材料也是量子比特的選擇,但是退相干性能比較差,小于一微秒。基于這個原因,研究人員當(dāng)時對超導(dǎo)量子計算并不寄予厚望。所以,當(dāng)時的想法是用來做基本的研究,研究量子力學(xué)的基本問題,如果拿它來做量子計算還是存在差距。2007年,研究人員換了一種電容結(jié)構(gòu)。谷歌提出了很多工藝的革新,包括設(shè)計上也做了一些更新。退相干時間迅速提升到百微秒的級別。

在今年,也有科學(xué)家發(fā)明了新的材料,比如鉭這種金屬可能把比特的退相干時間進(jìn)一步提升到幾百微秒的量級。這對研究人員非常鼓舞,超導(dǎo)量子計算的發(fā)展時間雖然短,但是21年的發(fā)展期間,一直保持著非常快的進(jìn)步速度。目前新工藝、新材料也沒有達(dá)到瓶頸,比如可以用超高真空的封裝讓電路的表面更加干凈。

對于超導(dǎo)量子比特退相干時間的提升,研究人員比較樂觀,預(yù)期提升到毫秒的級別毫無問題。毫秒是什么樣的概念呢?意味著一個量子比特,單比特可以達(dá)到5個9(99.999%)的保真度,雙比特有可能可以達(dá)到4個9(99.99%)的保真度。根據(jù)目前已知的量子算法,真正產(chǎn)生實際應(yīng)用價值還需要100萬個比特的規(guī)模,100萬個比特太過遙遠(yuǎn),至少十年才能實現(xiàn)這個目標(biāo),寄望于十年的技術(shù)突破,對行業(yè)發(fā)展非常不利。

于是研究人員考慮:100到1000個規(guī)模的量子芯片,能不能實現(xiàn)有價值的應(yīng)用呢?上圖藍(lán)色2區(qū)域,在谷歌確定量子霸權(quán)的時候已經(jīng)實現(xiàn),從2走到3可能是谷歌下一步要走的路。在2和3之間,谷歌定義為近期應(yīng)用,主要目的就是在2和3的中間,嘗試去找有價值的應(yīng)用。

人們經(jīng)常用上圖來對量子計算與經(jīng)典計算做比較,谷歌有時候也會炒概念,比如量子計算機挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的超級計算機。目前來說,傳統(tǒng)的超級計算機功能非常強大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于我們目前所擁有的量子計算機的能力。從對抗的角度來看,量子計算機在十年之內(nèi)可能毫無希望。如果換一個角度考慮,量子計算的目的不是挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機的優(yōu)勢,而是協(xié)同。能否突破以前單純靠經(jīng)典計算機的困境,才是真正應(yīng)該思考的方向。
(責(zé)任編輯:fqj)

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