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量子計算機,硅是最佳材料

發布時間:2016/12/23 11:00:58 訪問次數:10170

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科學家通過用激光控制鈹離子的電子態,造出了第一個量子力學邏輯門。現在,ionq使用囚禁離子的技術制作的量子比特可以在幾秒鐘內維持穩態,但是隔離操作也意味著量子比特之間的交互變得困難,而控制組合體的難度,會隨離子數目的增加指數級得升高。ionq最近把22個鐿離子糾纏成一條線形鏈,但至今,他還未能控制或查詢所有的離子對。

2010年,其他形式的量子比特浮現出來——超導體制成的電流回路。google就選擇了極小的超導電路,并且已經制造出9量子比特的機器,并計劃明年增至49量子比特。



該技術優點:

1. 電流回路可以被肉眼觀察到。

2. 使用簡單的微波儀器就能控制,不需要對操作要求苛刻的激光。

3. 使用傳統計算機芯片制造技術就能生產。

4. 運轉速度非常快。但是,超導技術有易受環境噪音影響的致命缺陷。即使是控制設備的噪音,也能在遠遠不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術的優化,已使電路的穩定性提高了近百萬倍,所以量子疊加狀態可以維持數十微秒,但這仍遠遠不如離子。同樣選擇超導回路技術路線的還有ibm,2015年5月,ibm的研究人員完成了四量子比特原型電路,這一電路采用四個超低溫超導設備構建。2016年5月,ibm發布了可在線訪問的量子計算機,該量子計算機的處理器具有五個量子比特。

microsoft在2005年,提出了一種在半導體-超導體混合結構中建造拓撲保護量子比特的方法,這種技術理論上會大幅降低錯誤,不過拓撲量子比特是否確實存在還有待證實。

據相關資料,我們需要思考晶體管可以小到什么程度?作為消費級工業品,晶體管的極限可能是7納米,作為企業級產品,晶體管的極限可能是5納米。未來對于計算能力的不斷追求可能需要晶體管的大小減至原子大小,尚沒有工藝可以完成這一愿景。同時隨著晶體管的不斷減小,密度和速度的增加,晶體管之間的電泄露以及芯片的發熱問題會越來越嚴重,這也制約著cpu的發展。再向下擴展晶體管數量帶來的性能提升是有限的,而成本的提升則是非常明顯的。

量子計算最大的特點就是具有超強的計算能力,所以量子計算作為未來計算的發展方向,受到了各個科技巨頭以及學術機構的重視。經典計算機中一個晶體管,或一個存儲位,在同一時刻,只能存儲一位二進制數據信息——0或1。因此普通計算機中的2位存儲位在某一時間僅能存儲4個二進制數00、01、10、11中的一個,轉換為十進制值分別為0,1,2,3。

量子的態疊加和糾纏原理產生了巨大的計算能力,量子計算機中的2位量子比特(quantum bit)寄存器可以同時存儲這四個數——00、01、10、11,因為每一個量子比特可以表示兩個值。也就是說如果我們要取出0-3的所有數時,只需要取一次,而經典計算機則需要順序執行4次。繼續增加量子比特時,系統所存儲信息量呈指數增加。一個40比特的量子計算機,能在很短時間內解開1024位電腦花上數十年解決的問題。

量子的態疊加和糾纏狀態極度脆弱,外界任何微弱的環境變化都可能對其造成破壞性影響,因此,量子計算機的核心部件通常處在接近絕對零度的密封環境中,防止受到其他粒子、電磁場、溫度等因素的干擾。

2014年新南威爾士大學,德魯拉克領導的團隊制造出了“人造原子”量子比特,使用的設備跟制造電子產品中硅晶體管的設備幾乎是一樣的。 新南威爾士大學的andrew dzurak教授認為,想要獲得成百上千個量子比特,對量子比特的工藝穩定性提出了非常高的要求,intel的成功也可以算得上是半導體行業一個標志性的節點。dzurak表示,一些公司也在使用現有的芯片制造方法來制作超導量子比特。但是制出的設備比晶體管要大,并且沒有大批量制作和包裝的方法。

intel這一項目的負責人、量子硬件總監表示,基于硅材料的量子比特在開發量子計算機方面更有優勢(盡管intel也在做超導量子比特的研究)。硅的一大優勢在于使用晶體管制作傳統硅芯片的工藝和設備都非常完善和成熟,因此可以快速推動硅量子比特的發展。研究硅量子比特的另外一個原因在于相比其他的超導材料,硅量子比特更的穩定性更好。

量子計算為什么這么火?這可能要從經典計算機的運算能力說起。intel創始人之一戈登·摩爾在上世紀60年代提出:當價格不變時,集成電路上容納的元器件數目,約隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。從下圖1971-2008年cpu中晶體管數量(衡量計算機性能的重要指標之一)的變化趨勢我們可以發現,和摩爾提出了理論基本相符。為了集成更多的晶體管,提高計算機的計算能力,就需要將晶體管的體積減小。

芯片制造商intel在去年加入到開發量子計算機的行列中,與荷蘭科研機構qutech量子研究所的研究人員展開為期10年的合作,并成立了一個5000萬美元的投資項目。這月初intel發表了報告,稱他們可以在芯片工廠使用的標準硅晶元上,生長一層超純硅膜,用于量子計算。但是基于硅的量子比特研究,大大落后于囚禁離子和超導量子技術

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科學家通過用激光控制鈹離子的電子態,造出了第一個量子力學邏輯門。現在,ionq使用囚禁離子的技術制作的量子比特可以在幾秒鐘內維持穩態,但是隔離操作也意味著量子比特之間的交互變得困難,而控制組合體的難度,會隨離子數目的增加指數級得升高。ionq最近把22個鐿離子糾纏成一條線形鏈,但至今,他還未能控制或查詢所有的離子對。

2010年,其他形式的量子比特浮現出來——超導體制成的電流回路。google就選擇了極小的超導電路,并且已經制造出9量子比特的機器,并計劃明年增至49量子比特。



該技術優點:

1. 電流回路可以被肉眼觀察到。

2. 使用簡單的微波儀器就能控制,不需要對操作要求苛刻的激光。

3. 使用傳統計算機芯片制造技術就能生產。

4. 運轉速度非常快。但是,超導技術有易受環境噪音影響的致命缺陷。即使是控制設備的噪音,也能在遠遠不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術的優化,已使電路的穩定性提高了近百萬倍,所以量子疊加狀態可以維持數十微秒,但這仍遠遠不如離子。同樣選擇超導回路技術路線的還有ibm,2015年5月,ibm的研究人員完成了四量子比特原型電路,這一電路采用四個超低溫超導設備構建。2016年5月,ibm發布了可在線訪問的量子計算機,該量子計算機的處理器具有五個量子比特。

microsoft在2005年,提出了一種在半導體-超導體混合結構中建造拓撲保護量子比特的方法,這種技術理論上會大幅降低錯誤,不過拓撲量子比特是否確實存在還有待證實。

據相關資料,我們需要思考晶體管可以小到什么程度?作為消費級工業品,晶體管的極限可能是7納米,作為企業級產品,晶體管的極限可能是5納米。未來對于計算能力的不斷追求可能需要晶體管的大小減至原子大小,尚沒有工藝可以完成這一愿景。同時隨著晶體管的不斷減小,密度和速度的增加,晶體管之間的電泄露以及芯片的發熱問題會越來越嚴重,這也制約著cpu的發展。再向下擴展晶體管數量帶來的性能提升是有限的,而成本的提升則是非常明顯的。

量子計算最大的特點就是具有超強的計算能力,所以量子計算作為未來計算的發展方向,受到了各個科技巨頭以及學術機構的重視。經典計算機中一個晶體管,或一個存儲位,在同一時刻,只能存儲一位二進制數據信息——0或1。因此普通計算機中的2位存儲位在某一時間僅能存儲4個二進制數00、01、10、11中的一個,轉換為十進制值分別為0,1,2,3。

量子的態疊加和糾纏原理產生了巨大的計算能力,量子計算機中的2位量子比特(quantum bit)寄存器可以同時存儲這四個數——00、01、10、11,因為每一個量子比特可以表示兩個值。也就是說如果我們要取出0-3的所有數時,只需要取一次,而經典計算機則需要順序執行4次。繼續增加量子比特時,系統所存儲信息量呈指數增加。一個40比特的量子計算機,能在很短時間內解開1024位電腦花上數十年解決的問題。

量子的態疊加和糾纏狀態極度脆弱,外界任何微弱的環境變化都可能對其造成破壞性影響,因此,量子計算機的核心部件通常處在接近絕對零度的密封環境中,防止受到其他粒子、電磁場、溫度等因素的干擾。

2014年新南威爾士大學,德魯拉克領導的團隊制造出了“人造原子”量子比特,使用的設備跟制造電子產品中硅晶體管的設備幾乎是一樣的。 新南威爾士大學的andrew dzurak教授認為,想要獲得成百上千個量子比特,對量子比特的工藝穩定性提出了非常高的要求,intel的成功也可以算得上是半導體行業一個標志性的節點。dzurak表示,一些公司也在使用現有的芯片制造方法來制作超導量子比特。但是制出的設備比晶體管要大,并且沒有大批量制作和包裝的方法。

intel這一項目的負責人、量子硬件總監表示,基于硅材料的量子比特在開發量子計算機方面更有優勢(盡管intel也在做超導量子比特的研究)。硅的一大優勢在于使用晶體管制作傳統硅芯片的工藝和設備都非常完善和成熟,因此可以快速推動硅量子比特的發展。研究硅量子比特的另外一個原因在于相比其他的超導材料,硅量子比特更的穩定性更好。

量子計算為什么這么火?這可能要從經典計算機的運算能力說起。intel創始人之一戈登·摩爾在上世紀60年代提出:當價格不變時,集成電路上容納的元器件數目,約隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。從下圖1971-2008年cpu中晶體管數量(衡量計算機性能的重要指標之一)的變化趨勢我們可以發現,和摩爾提出了理論基本相符。為了集成更多的晶體管,提高計算機的計算能力,就需要將晶體管的體積減小。

芯片制造商intel在去年加入到開發量子計算機的行列中,與荷蘭科研機構qutech量子研究所的研究人員展開為期10年的合作,并成立了一個5000萬美元的投資項目。這月初intel發表了報告,稱他們可以在芯片工廠使用的標準硅晶元上,生長一層超純硅膜,用于量子計算。但是基于硅的量子比特研究,大大落后于囚禁離子和超導量子技術

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