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美国封锁付诸东流?量子计算机“九章”横空出世,还要光刻机吗?

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  光刻机是生产CPU的必备设备,而由于美国的封锁,中国已经买不到最先进的光刻机,在这样的条件下,即使再先进的电路设计,也只能停留在纸面上,光刻机成了绕不过去的坎!


  但最近好消息传来,12月3日,中国量子计算机“九章”,以76个逻辑运算量子比特,以100亿倍的速度直接碾压了2019年谷歌推出的53逻辑比特的“悬铃木”!量子计算机已经横空出世,未来还需要光刻机吗?

  量子计算机的“CPU”是怎么样的?

  提起计算机就离不开冯诺依曼结构,半个多世纪都过去了,我们现在在用的计算机还是由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成,其中最核心的设备就是运算器、控制器,这两部分现在将其集中在了一个叫做中央处理器的芯片中,这就是我们需要的CPU。


  无论再强大的CPU,它也是由控制单元、存储单元和运算的单元组成,它的核心就是由各式各样的逻辑门电路,包括与门、或门、非门、与非门、或非门等。无论外界输入的是什么信息,但到了CPU这边,就只有0或者1,逻辑门只认这样对应的低高电平!


  所以传统计算机的CPU需要集成几千万甚至上亿个门电路,光刻机就是将这些复杂的电路印到涂了光刻胶的CPU硅基片上,然后再溶解光刻胶、蚀刻、离子注入等在基片上制造出晶体管,它的精细程度就决定了在硅基片上能制造出多少个晶体管,所以光刻机直接就决定了CPU的级别!



  CPU内部的电路结构

  量子计算机的CPU是怎么样的?

  量子计算机的最基本原理其实和电子计算机没差,它也是0和1来计算的,只是它代表0和1的方式有些不一样,比如光子的两个正交的偏振方向,磁场中电子的自旋方向,或核自旋的两个方向等,在测量之前,它的状态是叠加的,同时表示1和0!


  那么它如何来表示呢?选定两个相互正交的本征态,分别以 |0>(采狄拉克标记右括向量表示)和 |1>表示,当对此系统做投影式量子测量时,会得到的结果必为这两个本征态之一。两个本征态|0 >和|1 >以及无限多个线性叠加态|Ψ>=α|0 >+β|1>,集合起来就是一个量子比特。


  传统计算机中一个比特就是一个逻辑门,而量子计算机中一个比特同时表示0和1外还有叠加态,这个方式就是量子计算机的态叠加原理,这会让计算机在处理速度上会快很多,因为2^n的方式增加,n就是量子比特位,也就是逻辑量子比特。


  量子逻辑比特的致命缺点

  我们知道,处于叠加态的量子有一个问题,它很容易塌缩,所以就会遭遇第一个问题,量子比特退相干了,计算过程玩不下去了,不过现在有了多个解决办法,比如三种量子编码(多个量子比特位的CSS纠错码、拓扑量子 ; 量子避错码;量子防错码(量子芝诺效应))解决了退相干(量子坍缩)问题。


  二项式量子纠错码示意图

  量子计算机的几种结构

  解决了退相干问题,接下来用哪种物理层面的量能级体系做量子比特呢?

  现在比较流行的有核磁共振、离子阱,线性光学、超导、量子点等几种,核磁共振比较容易实现,但它量子比特难以大幅增加,2001年IBM就用核磁共振,用5个氟原子和两个碳原子的分子,总共7个量子比特(2^7经典比特)用秀尔算法完成了15的质因数分解。


  离子阱和线性光学的相干性非常好,比较稳定,但它比较难集成化,我国潘建伟领导的“九章”量子计算机就是线性光学。


  超导和量子点,比较容易集成,也就是做到芯片里,但它的相干性比较差,比如谷歌在2019年发布的Bristlecone量子芯片有72个量子比特,但由于相干性比较差,利用8个一组的量子比特作为纠错码,真正的逻辑比特只有9个量子比特!


  72量子比特的“Bristlecone”(狐尾松)量子芯片

  而在2020年发布的Sycamore(悬铃木)量子芯片中使用了142个量子比特,有88个量子比特用作耦合器工作,只有53(有一个是坏的)个量子比特作为逻辑运算!


  Sycamore有53个真正可用的逻辑运算比特

  量子计算机爆发的未来还需要光刻机吗?

  从量子计算机的核心结构来看,离子阱和线性光学这两种无法集成,大家应该都已经看到“九章”的计算核心就是一个巨大的光学结构,这个想要集成到硅片上,几乎就是不可能的!


  而另两种比如量子点和超导方式,却是可以集成到硅基片上的,而美国主攻的也是这个方向,包括此前GOOGLE公开的两个量子计算机都是这个结构。

  到底要不要光刻机?

  从超级量子计算机而言并不在乎体积大小,因为它的诞生必定是先用来解决科学问题的,所以对于计算核心体积过大并不敏感,就像现在的超级电子计算机一样呢,一台就占了一个庞大的机房,而量子计算机比它快得多,但却更小,所以这样的条件下,CPU无需再用硅基芯片光刻。


  但未来量子计算机小型化,那么必定要考虑量子计算单元集成到硅基片上的情况,此时光刻机就少不了了,当然对于量子计算机的计算水准而言,它不需要现在那么高的几纳米的需求,因为到了量子CPU时代,集成几百个逻辑运算量子比特,已经是能把宇宙算完了!


  不过我们相信保持量子比特和读取这些信息,仍然需要传统的电路来实现,所以从这个意义上来看,光刻机还是绕不过去的坎,只是光刻机的水平可能不再是约束性能的唯一途径。


  另外外围电路的很多芯片是无法用量子芯片代替的,在那些芯片上光刻机也省不了!

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