全球首款能集成量子相互作用的計(jì)算機(jī)芯片誕生

澳大利亞新南威爾士大學(xué)UNSW的研究人員設(shè)計(jì)出一種能集成量子相互作用的計(jì)算機(jī)芯片。研究人員重新設(shè)計(jì)硅微處理器，為“難以捉摸”的量子計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)一個完整的設(shè)計(jì)。該研究團(tuán)隊(duì)甚至建議使用現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)過程和組件制造芯片。如果成功，該處理器能夠高效完成復(fù)雜計(jì)算解決的科學(xué)問題，如氣候變化或醫(yī)學(xué)研究，也適用于無縫加密通信。

這項(xiàng)顛覆式的研究意味著未來計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，可以將人們熟悉的各種電腦、智能手機(jī)，集合成量子計(jì)算機(jī)里的芯片處理器。運(yùn)算能力、速度尤其是運(yùn)算功能將有本質(zhì)上的飛躍。

計(jì)算機(jī)時代，也將從目前的電子計(jì)算機(jī)時代，一躍飛升至量子計(jì)算機(jī)時代！

這種設(shè)計(jì)采用了傳統(tǒng)的硅晶體管開關(guān)，在一個巨大的二維數(shù)組中，利用基于網(wǎng)格的“字節(jié)”和“比特”選擇協(xié)議，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片中選擇比特，類似于“打開”操作。通過選擇一個量子位元以上的電極，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以我們運(yùn)用電子探針控制一個量子位元的自旋，它儲存一個0或1的量子二進(jìn)制碼。通過在量子比特之間選擇電極，可以在量子位之間執(zhí)行兩比特邏輯相互作用或計(jì)算。量子位可以以二進(jìn)制代碼存儲信息，如0、1或0和1的任意組合。量子計(jì)算機(jī)可以同時存儲多個值，也可以同時處理多個操作。這使量子計(jì)算機(jī)在解決一系列重要問題時比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快數(shù)百萬倍。

做芯片研究的Andrew Dzurak教授說：“我們通常認(rèn)為登陸月球是人類最偉大的科技奇跡。但建立一個可以放在口袋里并且有十億個操作裝置集成工作的微處理器芯片，就是一項(xiàng)驚人的技術(shù)成就，這是現(xiàn)代生活的革命。在量子計(jì)算方面，我們正處在另一個技術(shù)飛躍的邊緣，它可能是深刻而有變革性的。但在單個芯片上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的完整工程設(shè)計(jì)一直十分困難。我想我們正在新南威爾士大學(xué)做的研究讓它成為現(xiàn)實(shí)。最重要的是，它可以在一個現(xiàn)代化的半導(dǎo)體制造廠生產(chǎn)?！?/p>

根據(jù)研究人員的說法，微芯片可以為創(chuàng)造無數(shù)量子比特鋪平道路。

研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)隊(duì)Menno Veldhorst教授說：“值得注意的是，今天的計(jì)算機(jī)芯片需要但無法解決的量子效應(yīng)問題，量子計(jì)算機(jī)可以解決?！?/p>

人們普遍認(rèn)為，解決解決全球重大挑戰(zhàn)問題時需要數(shù)百萬個量子比特同時工作。為做到這一點(diǎn)，我們需要把量子比特封裝在一起并集成它們，就像我們使用現(xiàn)代微處理器芯片一樣。這就是這種新設(shè)計(jì)的目的。但要解決復(fù)雜的問題，一個有用的通用量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)以百萬計(jì)的量子比特。

Dzurak教授解釋說：“所以我們需要使用糾錯采用多比特存儲一塊數(shù)據(jù)代碼。我們的芯片藍(lán)圖集成了一種專為自旋量子位設(shè)計(jì)的新型糾錯碼，它涉及數(shù)以百萬計(jì)的量子比特的復(fù)雜操作協(xié)議。這是第一次嘗試集成一個芯片來控制和讀取量子計(jì)算所需的數(shù)以百萬計(jì)的量子比特所需的所有傳統(tǒng)硅電路。我們預(yù)計(jì)，在其進(jìn)入制造業(yè)的過程中，仍然需要對這種設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，但量子計(jì)算所需的所有關(guān)鍵組件都在一個芯片中?！?/p>

該小組下一步將根據(jù)該設(shè)計(jì)在該大學(xué)建立一個量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)，并聲稱它將在兩年內(nèi)投入使用。一旦建成，電腦的能力意味著它將不得不回答許多科學(xué)問題的能力；創(chuàng)造新的救命藥；解決最令人難以置信的科學(xué)問題；解開最遠(yuǎn)最深的空間未知的奧秘；解決了普通電腦將需要數(shù)億年的時間來計(jì)算一些的問題?！?/p>

先來科普一下量子計(jì)算機(jī)的原理：我們都知道目前計(jì)算機(jī)采用二級制（0和1），而量子計(jì)算機(jī)卻采用無限并行運(yùn)算，量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵就在于同時能疊加量子比特的多少，量子比特疊加得越多，并行運(yùn)算能力越強(qiáng)，而且是指數(shù)級增長。

如果把傳統(tǒng)的電子線性計(jì)算方式，比作萬只蝸牛排隊(duì)過獨(dú)木橋，那么量子并行運(yùn)算就是萬只飛鳥同時升上天空。

當(dāng)前世界各地已對多種架構(gòu)進(jìn)行測試，并且爭相推出首個集成了數(shù)以百萬計(jì)“量子比特”的量子計(jì)算機(jī)處理器。目前以谷歌、微軟、IBM、英特爾、荷蘭QuTech等為首的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，都還在為20～49個量子比特級拼命。其中包括硅自旋量子比特、離子阱、超導(dǎo)循環(huán)、鉆石空缺、以及拓補(bǔ)量子比特。遺憾的是，在上述所有架構(gòu)中，量子位都相當(dāng)脆弱、很容易產(chǎn)生計(jì)算錯誤。

而且量子比特很容易收到干擾，這也在很大程度上制約了量子計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的進(jìn)一步突破。澳大利亞新南威爾士大學(xué)這個量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目，宣布攻克的正是這個看似不可能突破的科技邊界。如果真能實(shí)現(xiàn)的話，那么毫無疑問這將是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最重要的一次飛越，人類科技史上也將是最重要的發(fā)明之一。