不久前，業(yè)界都還認為半導(dǎo)體量子技術(shù)離我們很遠，甚至 D-Wave 的 CEO Vern Brownell 也曾在接受 DT 君的專訪時表示，要實現(xiàn)半導(dǎo)體量子計算的商業(yè)化至少要 10 年以上，但隨著日本 IT 巨頭富士通的數(shù)字退火量子（Digital Annealer）計算芯片即將量產(chǎn)，以及英特爾在硅自旋量子比特（silicon spin qubit）技術(shù)的突破，同時中國也展示了半導(dǎo)體量子計算的發(fā)展，量子計算或許可能提早通過半導(dǎo)體工藝走進尋常百姓家。

　　顯而易見，量子計算之所以重要，是因為其具備快速解決過去很難利用傳統(tǒng)計算架構(gòu)解決的“人類規(guī)?！眴栴}的能力，比如說找出癌癥的解方，更好的針對個人化的醫(yī)療方法，不僅在能源領(lǐng)域、目前最流行的 AI 模擬，甚至揭開更多宇宙的秘密，都將扮演極為重要的角色。

　　而作為量子計算基礎(chǔ)的量子物理現(xiàn)象其實屬于普遍的自然界物理現(xiàn)象，會出現(xiàn)在許多不同的材料、化學(xué)或自然環(huán)境中，因此，其達成的方式也不只一種，就好比量子計算的研究范圍已經(jīng)從超導(dǎo)量子前進到光量子，甚至基于數(shù)字退火技術(shù)的半導(dǎo)體量子亦已經(jīng)量產(chǎn)，換言之，只要材料引發(fā)的現(xiàn)象能夠觀測出量子物理特征，就有可能拿來計算。

　　只是經(jīng)過將近 20 年的發(fā)展，以超導(dǎo)技術(shù)為核心的量子計算商用腳步在軟件生態(tài)成熟度不足，且量產(chǎn)難度極高的情況下，在實際應(yīng)用層面上還有很大的限制，雖然我們從各家的量子比特規(guī)模來爭論量子霸權(quán)將由誰掌握，但實際上，量子計算的最大限制不是算力的不足，而是難以普及，使得生態(tài)發(fā)展難以有效往前進。

　　也因為目前量子計算的局限性，如果能夠通過既有的半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)，解決量子計算芯片的規(guī)模擴增與大批量生產(chǎn)問題，并擺脫超導(dǎo)量子計算所需要的龐大冷卻架構(gòu)，那么，量子計算或許可以比預(yù)期更早進入到一般計算應(yīng)用中，并加速相關(guān)生態(tài)成熟，成為包含 PC、智能家居、汽車，甚至各種聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計算核心，并徹底改變?nèi)祟惖纳睢?/p>

　　半導(dǎo)體量子計算：數(shù)字退火、硅自旋量子比特與量子點

　　目前，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的量子技術(shù)方面進展方面，比較知名的有由富士通推出的數(shù)字量子退火（Digital Annealer）技術(shù)、由英特爾推出，基于硅半導(dǎo)體工藝的硅自旋量子比特（silicon spin qubit）技術(shù)、以及由我國中科院量子信息重點實驗室所提出的，基于量子點（quantum dot）技術(shù)的三量子點半導(dǎo)體比特。

　　數(shù)字量子退火技術(shù)

　　富士通與加拿大多倫多大學(xué)合作開發(fā)了數(shù)字退火器 (Digital Annealer)，作為需要精心控制低溫環(huán)境才能發(fā)揮作用的 D-Wave 量子退火計算架構(gòu)替代品，富士通采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)，該技術(shù)可在室溫下工作，并可安裝在足夠小的電路板上，以便插入數(shù)據(jù)中心的機架中。

　　圖｜基于半導(dǎo)體工藝的數(shù)字退火量子處理器，目前已經(jīng)應(yīng)用在富士通的云服務(wù)中。

　　數(shù)字退火器是 1 種專用芯片，采用非馮諾依曼架構(gòu)，在解決組合優(yōu)化問題時可最大限度地減少數(shù)據(jù)移動。它由 1024 個“位更新塊”(bit-updating blocks) 組成，帶有存儲權(quán)重和偏置的片上存儲器，用于執(zhí)行“位翻轉(zhuǎn)”(bit flips) 的邏輯塊以及接口和控制電路。

　　數(shù)字退火器不是通過傳統(tǒng)的編程方式來利用其算力，而是以權(quán)重矩陣和偏置向量的形式上傳問題，以便將問題轉(zhuǎn)化為“能量全景圖”(energy landscape)，用物理模擬的現(xiàn)象來解題。為達到此目的，富士通與位于加拿大溫哥華的量子計算軟件領(lǐng)導(dǎo)者 1QB 信息技術(shù)公司合作，該公司既提供運行系統(tǒng)的軟件，也提供軟件開發(fā)工具包，供客戶編寫自己的能量全景圖。

　　東京工業(yè)大學(xué)物理學(xué)教授，同時也是全球第 1 篇提出量子退火理論論文的作者之一 Hidetoshi Nishimori，以比喻的方式解釋了這種操作：“在數(shù)字退火中，系統(tǒng)從一個狀態(tài)跳到另一個狀態(tài)，以尋求更好的解決方案，就像一個人在一個充滿山丘和山谷的復(fù)雜景觀中徘徊，尋找最低點?！?/p>

　　Nishimori 補充說，這種技術(shù)與傳統(tǒng)量子退火相反，系統(tǒng)以大規(guī)模并行的方式尋找最佳解決方案，同時考慮所有狀態(tài)。富士通也宣稱，其基于 CMOS 的數(shù)字退火器，雖僅具備 1024 量子比特，但性能表現(xiàn)已經(jīng)能夠與 D-Wave 最新的 2000 量子比特的量子退火系統(tǒng)相提并論。

　　Nishimori 指出，富士通機器上的位塊之間的權(quán)重能夠以比 D-Wave 系統(tǒng)更高的精度表達問題，因為用量子比特來控制這種精度要困難得多，數(shù)字退火器在比特之間具有 16 位精度，相較之下，D-Wave 系統(tǒng)僅有 4 位精度。不過 Nishimori 也提到，D-Wave 的量子退火器從長遠來看將有超過數(shù)字退火器的潛力，因為它們具有超大量子平行度，足以彌補精度表現(xiàn)較弱的缺點。

　　與此同時，富士通表示，目前 1000 量子比特的方案已經(jīng)用在自家云服務(wù)器上，而它的目標是 2019 年量產(chǎn)具有 8192 位量子比特的數(shù)字退火器，而長遠目標則是走向百萬等級的量子比特。

　　該公司于 5 月 15 日開始在日本提供云服務(wù)。富士通還與多倫多大學(xué)合作研究數(shù)字退火機的應(yīng)用，今年晚些時候富士通將開始銷售數(shù)字退火服務(wù)器，塔型主機和芯片，用于企業(yè)內(nèi)部自有量子計算的架設(shè)。該公司還計劃在今年年底之前在北美，歐洲和亞洲推出云服務(wù)。富士通表示，到 2022 年，該服務(wù)的目標是收入 1000 億日元（約 9 億美元）。

　　硅自旋量子比特

　　英特爾與荷蘭量子計算公司 QuTech 合作在今年初推出基于硅芯片的可編程雙量子計算，采用的就是自旋量子單元。自旋量子單元的優(yōu)點是不需要苛刻的環(huán)境條件，如極低溫。本質(zhì)上自旋量子單元是受微波脈沖激活的電子。而基于硅自旋量子單元的獨特優(yōu)勢，在于其乃是在電子層面操作，因此能夠與現(xiàn)有的計算工作平臺緊密配合。

　　圖｜在硅芯片上上擁有雙量子比特的量子處理器。

　　其實硅自旋量子比特的概念很簡單，當(dāng)在傳統(tǒng)的晶體管通過穩(wěn)定的電流時。晶體管中的單個電子便可在 0 與 1 兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換。而以電子的旋轉(zhuǎn)為概念的話，也就是晶體管中的單個電子可以具有兩種狀態(tài)之一：往上旋轉(zhuǎn)或往下旋轉(zhuǎn)，而這正是量子比特的兩個狀態(tài)。因此，英特爾正在做的主要是通過其工藝創(chuàng)建一系列單電子晶體管，并使之產(chǎn)生量子態(tài)。

　　不過，目前英特爾還在為單一芯片上能夠集成更多量子比特而努力，目前他們最多只能做到每個切割出來的單一芯片維持 26 個量子比特，明顯與超導(dǎo)量子有段距離。然而，如果不以單一芯片計算，而是以整片晶圓來作為比較基準，那么其硅自旋量子比特已經(jīng)達到成千上萬之譜，量子比特密度不下于傳統(tǒng)超導(dǎo)量子。

　　圖|英特爾的硅量子芯片的試產(chǎn)品

　　當(dāng)然，以晶圓來作為比較單位并不實際，英特爾也表示，該公司的超導(dǎo)量子技術(shù)已經(jīng)成熟到可以集成到系統(tǒng)中了，但硅自旋量子還需要數(shù)年的時間發(fā)展。

　　不過，英特爾也提到，以處理器發(fā)展史為例，從第一個集成電路，到第一個擁有 25000 個晶體管的處理器 4004 現(xiàn)身，經(jīng)過了 10 年的時間，其實進展相當(dāng)快，而他們也很看到硅自旋量子未來的發(fā)展?jié)撃?，認為在 5 年內(nèi)要發(fā)展到單芯片擁有超過 1000 個量子比特并不是困難的事情。

　　而長遠來看，如果能在單一半導(dǎo)體芯片上達到百萬個量子比特，并實現(xiàn)常溫量子的通用計算，那將是對整個數(shù)字產(chǎn)業(yè)，甚至是社會存在型態(tài)的徹底變革。

　　三量子點半導(dǎo)體比特

　　中科院量子信息重點實驗室在今年初推出的三量子點半導(dǎo)體比特是量子點的技術(shù)應(yīng)用之一，是屬于諸多量子計算型態(tài)的固態(tài)計算方式，主要是通過 GaAs 或 AIGaAs 或類似材料來制作量子點，量子點指的是將電子與電洞局限在只有幾納米的極小物質(zhì)中，因而產(chǎn)生可以控制的光、電、自旋等性質(zhì)，通常這些性質(zhì)與量子點的尺寸、形狀和材料有關(guān)。而光以量子點形式，就有光子、電子和原子等不同的自旋量子態(tài)可當(dāng)作量子計算的基礎(chǔ)。

　　圖｜中科院量子信息重點實驗室在今年初推出的三量子點半導(dǎo)體比特邏輯門。

　　該實驗通過半導(dǎo)體納米加工工藝制備出非對稱耦合三量子點結(jié)構(gòu)，再利用電子的原子殼層結(jié)構(gòu)填充原理，化解多電子能級結(jié)構(gòu)復(fù)雜性這一難題，構(gòu)造了具有準平行能級的雜化量子比特。在保證比特相干時間的情況下，通過調(diào)節(jié)第三個量子點的電極電壓，清晰地觀察到比特能級在 2 至 15GHz 范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。

　　不過這種技術(shù)雖屬半導(dǎo)體量子技術(shù)之一，但其半導(dǎo)體材料并非采用硅，所以與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝還是有著相當(dāng)大的不同。

　　半導(dǎo)體量子計算將填補傳統(tǒng)超導(dǎo)量子計算的缺點

　　基于超導(dǎo)電路的量子比特和基于量子阱的量子比特因為電路體積較大，實現(xiàn)相對容易，在可操控量子比特數(shù)目方面處于領(lǐng)先位置，目前 Google 也已經(jīng)達到 72 個量子比特，英特爾和 IBM 也分別推出過 49 量子比特和 50 量子比特的量子計算架構(gòu)。

　　然而，它們的大體積使得未來大數(shù)目量子比特的集成會面臨很大的問題，進而會影響到一些實際應(yīng)用的量子算法的實現(xiàn)。

　　雖然所有現(xiàn)有的超導(dǎo)量子計算方法可提供前所未有的計算能力，但該技術(shù)需要的設(shè)計與維持成本極高：為了實現(xiàn)超出傳統(tǒng)計算范圍的問題的正確輸出，超導(dǎo)量子計算需要保持接近絕對零度，并且通過各種遮蔽設(shè)計來避免磁干擾、熱噪聲和機械振動的影響，以使量子比特保持迭加狀態(tài)和量子糾纏，成為實現(xiàn)量子計算的基礎(chǔ)。

　　而因為量子比特的不穩(wěn)定性，量子計算的精度也存在問題，一般而言保真度（fidelity）普遍不高，導(dǎo)致現(xiàn)有的量子計算架構(gòu)必須花費許多的心力在于糾錯工作上，以確保對量子現(xiàn)象的觀測不會出現(xiàn)誤差。這也讓原本就已經(jīng)臃腫的量子計算架構(gòu)更為龐大。

　　這些傳統(tǒng)量子計算的問題即便在實驗室中已經(jīng)突破 72 個量子比特的現(xiàn)在仍相當(dāng)難以解決，而這也是微軟選擇要往基于拓樸架構(gòu)的 Majorana particle（馬約拉納粒子）來作為量子計算的核心的原因，由于 Majorana particle 呈電中性，且很少與其他粒子相互作用，其狀態(tài)相對穩(wěn)定許多，這使得要建造 1 個 1Qubit 的拓撲量子計算，只需要 1 個 Majorana particle，而不需要額外的糾錯設(shè)計，就理論上而言，會是個極具競爭力的量子計算架構(gòu)。