不久前，業(yè)界都還認為半導體量子技術離我們很遠，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）技術的突破，同時中國也展示了半導體量子計算的發(fā)展，量子計算或許可能提早通過半導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)從超導量子前進到光量子，甚至基于數(shù)字退火技術的半導體量子亦已經(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，以超導技術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體生產(chǎn)技術，解決量子計算芯片的規(guī)模擴增與大批量生產(chǎn)問題，并擺脫超導量子計算所需要的龐大冷卻架構，那么，量子計算或許可以比預期更早進入到一般計算應用中，并加速相關生態(tài)成熟，成為包含 PC、智能家居、汽車，甚至各種聯(lián)網(wǎng)設備的計算核心，并徹底改變?nèi)祟惖纳睢?/p>

半導體量子計算：數(shù)字退火、硅自旋量子比特與量子點

目前，在半導體領域的量子技術方面進展方面，比較知名的有由富士通推出的數(shù)字量子退火（Digital Annealer）技術、由英特爾推出，基于硅半導體工藝的硅自旋量子比特（silicon spin qubit）技術、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）技術的三量子點半導體比特。

數(shù)字量子退火技術

富士通與加拿大多倫多大學合作開發(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 量子退火計算架構替代品，富士通采用傳統(tǒng)的半導體技術，該技術可在室溫下工作，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｜基于半導體工藝的數(shù)字退火量子處理器，目前已經(jīng)應用在富士通的云服務中。

數(shù)字退火器是 1 種專用芯片，采用非馮諾依曼架構，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導者 1QB 信息技術公司合作，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)大學物理學教授，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雜景觀中徘徊，尋找最低點?！?/p>

Nishimori 補充說，這種技術與傳統(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。富士通還與多倫多大學合作研究數(shù)字退火機的應用，今年晚些時候富士通將開始銷售數(shù)字退火服務器，塔型主機和芯片，用于企業(yè)內(nèi)部自有量子計算的架設。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。富士通表示，到 2022 年，該服務的目標是收入 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)超導量子。

圖|英特爾的硅量子芯片的試產(chǎn)品

當然，以晶圓來作為比較單位并不實際，英特爾也表示，該公司的超導量子技術已經(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體比特是量子點的技術應用之一，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。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)可當作量子計算的基礎。

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體比特邏輯門。

該實驗通過半導體納米加工工藝制備出非對稱耦合三量子點結構，再利用電子的原子殼層結構填充原理，化解多電子能級結構復雜性這一難題，構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)。

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

半導體量子計算將填補傳統(tǒng)超導量子計算的缺點

基于超導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。

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用的量子算法的實現(xiàn)。

雖然所有現(xiàn)有的超導量子計算方法可提供前所未有的計算能力，但該技術需要的設計與維持成本極高：為了實現(xiàn)超出傳統(tǒng)計算范圍的問題的正確輸出，超導量子計算需要保持接近絕對零度，并且通過各種遮蔽設計來避免磁干擾、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。

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，導致現(xiàn)有的量子計算架構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)在仍相當難以解決，而這也是微軟選擇要往基于拓樸架構的 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計，就理論上而言，會是個極具競爭力的量子計算架構。

然而，這種被稱為天使粒子的 Majorana particle 截至目前為止仍然只存在于理論當中，還沒真正被發(fā)現(xiàn)。

那要做出既小又容易規(guī)模化的量子計算架構是不可能的事情？非也，正如之前所述，目前富士通與英特爾都已經(jīng)在相關領域有了突破性的發(fā)展。中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在半導體量子計算芯片研究方面則是通過量子點技術推動量子計算的半導體化路線。

富士通將半導體量子計算帶入商業(yè)化，但其他技術還要一段時間

由于基于物理仿真的數(shù)字退火技術在理論上更為成熟，且在應用上也更偏重于特定計算，而非通用，所以商用化的腳步也如老大哥 D-Wave 的量子退火般走的最快，但其缺點在于整個計算體系與目前的計算架構并不兼容，在生態(tài)經(jīng)營上的難度較高。

而英特爾則是打算要將硅自旋量子打入一般日常計算環(huán)境中，作為取代傳統(tǒng)計算架構的強力武器，因此通用是無法被舍棄的一點。但也因為如此，其真正走入商用化恐怕還要好幾年的時間。

撇除目前量子霸權的爭議，傳統(tǒng)超導量子計算已經(jīng)先后步入商用化，而基于半導體工藝的量子計算也超越市場的期待，開始在技術研發(fā)上嶄露頭角，雖然除了最老牌的退火技術以外，其他瞄準通用量子計算的商用時程都可能還要數(shù)年之久。

即便如此，這些技術的進展揭示了我們?nèi)粘Ｊ褂玫挠嬎慵軜嫸加锌赡茏呦蛄孔佑嬎愕目赡芪磥?，雖然目前還很難想象，但可以肯定的是，通過量子計算帶來的龐大算力，屆時我們身處的世界將與現(xiàn)在有著極大的不同。