量子計(jì)算在電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的分析和介紹

雷·庫(kù)茲韋爾在《奇點(diǎn)臨近》中提出了科技爆發(fā)的S型曲線，這與唯物辯證法的“量變到質(zhì)變”的哲學(xué)理論不謀而合。從農(nóng)業(yè)革命到工業(yè)革命，再到互聯(lián)網(wǎng)革命，人類的科技爆發(fā)往往就是遵循這個(gè)S型曲線，不斷積累，不斷突破，最終跨越了一個(gè)又一個(gè)科學(xué)范式。

回想起互聯(lián)網(wǎng)革命，我們簡(jiǎn)單將其囊括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等，這都是在軟件和硬件領(lǐng)域積累了幾十年之后得到井噴式發(fā)展的一個(gè)產(chǎn)物。我們歡欣鼓舞地大踏步前進(jìn)，試圖掃平面對(duì)的一切困難，甚至提出了“讓機(jī)器制造知識(shí)”的方案。對(duì)外，我們想了解宇宙太空；對(duì)內(nèi)，我們還想了解基因和大腦。

然而，當(dāng)我們給自己謀劃了如此宏大的設(shè)想時(shí)，卻連一個(gè)簡(jiǎn)單如同圍棋的游戲都沒(méi)法完全掌握。一想到浩瀚宇宙里數(shù)不清的行星，再想到每個(gè)人大腦里數(shù)不清的神經(jīng)元，我們根本笑不出來(lái)。我們的欲望越來(lái)越大，給自己埋下苦澀的新問(wèn)題已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。捫心自問(wèn)，怎么辦？我們站在S曲線的頂端，仰望天空，卻發(fā)現(xiàn)其實(shí)我們又開(kāi)始了一個(gè)新的輪回——量子計(jì)算。

S型技術(shù)爆發(fā)曲線

量子計(jì)算概述

伴隨著電腦和互聯(lián)網(wǎng)生長(zhǎng)起來(lái)的我們，對(duì)于計(jì)算的基本認(rèn)知無(wú)非是二進(jìn)制的運(yùn)算，以1和0位基本單元。由此，在計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們也以高低電壓來(lái)代表1和0。它們相互變換的機(jī)制組成了我們的計(jì)算系統(tǒng)。每一次變換除了消耗能量，還要了消耗我們的時(shí)間?？此莆⑿〉南?，在億萬(wàn)次的運(yùn)算之中便累積成了我們?nèi)祟悷o(wú)法承受之重。

要不是摩爾定律的詛咒，想要直面未來(lái)，我們不得不絞盡腦汁，嘗試用更加特立獨(dú)行的計(jì)算模型，來(lái)吸引科技界的目光。量子計(jì)算就是一個(gè)典型例子。它的基本單位是量子比特，也可以稱作“qubits”。相比電子和空穴來(lái)說(shuō)，量子比特最大的特征就是可以同時(shí)展現(xiàn)兩種狀態(tài)。這聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)直匪夷所思，就好比一個(gè)人可以同時(shí)出現(xiàn)在地球的兩個(gè)地方，還能互相提供不在場(chǎng)證明。但是，我們必須先承認(rèn)它。（關(guān)于量子力學(xué)的內(nèi)容，在此不表，各位可以找本教材學(xué)習(xí)一下。）

量子比特狀態(tài)圖

在量子系統(tǒng)中，兩種狀態(tài)被分別表達(dá)為|0>和|1>，就好比地球的北極和南極一樣。在這個(gè)球體的任意一點(diǎn)都是一個(gè)合法的量子狀態(tài)，可以寫作|0>和|1>組合的一個(gè)線性方程。

量子對(duì)方程式

那么，讓我們繼續(xù)把量子計(jì)算擴(kuò)展到數(shù)字電路系統(tǒng)中。具備N個(gè)量子比特的寄存器就能同時(shí)擁有2的N次方個(gè)可供計(jì)算的基本狀態(tài)?；叵肫鹉莻€(gè)古老的故事，把米粒放在圍棋格子里，每個(gè)格子都比前一個(gè)擁有的米粒數(shù)量翻一倍。差不多到第50個(gè)格子，可供量子系統(tǒng)計(jì)算的狀態(tài)將超過(guò)全世界的計(jì)算資源總和。這簡(jiǎn)直比哆啦A夢(mèng)的任意門還要神奇。

當(dāng)我們面對(duì)幾乎無(wú)限的計(jì)算資源，科學(xué)家們勢(shì)必需要開(kāi)發(fā)一些充滿智慧的算法，將這些計(jì)算資源合理分配到各種重要的應(yīng)用當(dāng)中。這是量子計(jì)算面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。倘若我們攻破了這些問(wèn)題，在已知的一些領(lǐng)域，例如化學(xué)和材料科學(xué)等，量子計(jì)算可以極大地簡(jiǎn)化科學(xué)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，甚至能攻破一切密碼學(xué)的枷鎖。那么未來(lái)我們面對(duì)的“大數(shù)據(jù)”就已經(jīng)不夠大了，而是需要”巨數(shù)據(jù)“。

巨型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

量子比特的需求

想要產(chǎn)生一個(gè)量子比特，我們必須首先擁有一個(gè)量子系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以選擇0和1的狀態(tài)，大致流程是初始化量子狀態(tài)、執(zhí)行運(yùn)算命令，導(dǎo)出可讀數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)電子系統(tǒng)相比，量子比特不需要導(dǎo)線來(lái)傳播，而僅僅只要呆在原地就好。那么，為了操縱這些量子比特，我們必須引入控制信號(hào)。這些控制信號(hào)可以通過(guò)邏輯門來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如同數(shù)字系統(tǒng)一樣，量子系統(tǒng)可以通過(guò)一系列離散信號(hào)實(shí)現(xiàn)任何數(shù)字邏輯，例如AND、OR等等。不過(guò)，它們的區(qū)別在于，量子系統(tǒng)的每次運(yùn)算都必須以量子比特對(duì)的形式出現(xiàn)，而且兩個(gè)量子比特之間是相互影響，相互補(bǔ)充的。因此，我們還必須擁有一個(gè)機(jī)制來(lái)識(shí)別和控制量子比特對(duì)。

正如前文所述，要將大量的量子比特整合到一起，我們不能像建造巴比倫空中花園一樣，將微觀和宏觀世界隔離開(kāi)。因此，我們熟悉的固態(tài)電路系統(tǒng)必不可少。近些年來(lái)，科學(xué)家們的很多研究都在嘗試采用超導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)量子固態(tài)電路。

量子疊加態(tài)

芯片上的量子比特

超導(dǎo)狀態(tài)下的量子比特被編碼于非諧性振蕩器產(chǎn)生的兩個(gè)超低能量狀態(tài)之中。這種振蕩器往往由相互交錯(cuò)的電容器和一個(gè)非線性電感組成，這種結(jié)構(gòu)也被稱作Josephson結(jié)。這種看似門窗橫梁一樣的結(jié)構(gòu)，一般以鋁制金屬制成，兩層金屬鋁之間夾雜了一層薄薄的氧化鋁。兩個(gè)Josephson結(jié)也常常被并列放置在一起，從而形成了SQUID環(huán)路。在這樣的電路系統(tǒng)中，量子比特可以成對(duì)出現(xiàn)，繼而被超導(dǎo)諧振器讀取狀態(tài)。

除了超導(dǎo)體量子比特，科學(xué)家們還試圖利用電子自旋的特性來(lái)制造自旋量子比特。在此，限于篇幅就不做具體闡述了，詳情可以找本教材來(lái)看看。

無(wú)論是超導(dǎo)量子比特還是自旋量子比特，它們能穩(wěn)定生存在這個(gè)世界并實(shí)現(xiàn)計(jì)算，需要幾個(gè)的條件：超低溫運(yùn)行環(huán)境、模擬控制信號(hào)、讀取量子比特的射頻技術(shù)等等。盡管這些需求對(duì)于兩種量子比特有所區(qū)別，但是其原理基本是一樣的。

SQUID環(huán)

在量子計(jì)算機(jī)上編程

當(dāng)我們擁有了這樣一個(gè)量子計(jì)算系統(tǒng)，緊接著我們就要在一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編程。和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，這其實(shí)沒(méi)有什么區(qū)別，無(wú)論是編程語(yǔ)言、編譯器、微系統(tǒng)架構(gòu)，甚至機(jī)器語(yǔ)言都基本一致。編譯器和其它高層架構(gòu)部分仍舊可以運(yùn)行在傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)上，而機(jī)器語(yǔ)言則通過(guò)一種數(shù)字信號(hào)單元被編譯為模擬控制信號(hào)，傳遞給量子比特。簡(jiǎn)而言之，我們利用傳統(tǒng)電子系統(tǒng)來(lái)輸入和解讀量子比特產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而把計(jì)算部分交給量子系統(tǒng)。

為了給大家一個(gè)直觀的印象來(lái)解讀量子比特的數(shù)量和傳統(tǒng)技術(shù)的關(guān)系，科學(xué)家認(rèn)為一個(gè)能存儲(chǔ)51個(gè)量子比特的系統(tǒng)就已經(jīng)可以勝過(guò)現(xiàn)今世界上最高級(jí)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。每增加一個(gè)量子比特就將成倍提高量子計(jì)算機(jī)的性能。由此，量子計(jì)算機(jī)能解決很多我們現(xiàn)今棘手的問(wèn)題，例如物種的混沌進(jìn)化，而不需要考慮計(jì)算功耗和時(shí)間開(kāi)銷。

事物總有兩面性。既然量子計(jì)算機(jī)擁有這么強(qiáng)的性能，也會(huì)有它的缺點(diǎn)。其中一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就在于，量子計(jì)算機(jī)僅僅使用了相對(duì)很小的并行運(yùn)算次數(shù)，且是順序運(yùn)行的。如果微觀環(huán)境一旦存在不可避免的干擾，那么量子比特的狀態(tài)就很容易失控。一旦失控，計(jì)算便會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，從而影響整個(gè)計(jì)算結(jié)果。到目前為止，科學(xué)家已經(jīng)可以將超導(dǎo)量子計(jì)算的穩(wěn)定時(shí)間提高到了100微秒，對(duì)于自旋量子計(jì)算的穩(wěn)定時(shí)間甚至提高到了100毫秒。這相比十年以前，我們已經(jīng)邁出了足夠大的一步。這應(yīng)該感謝近些年來(lái)材料科學(xué)和電路設(shè)計(jì)的發(fā)展，才能降低量子系統(tǒng)對(duì)于周圍環(huán)境的敏感性。但是，我們不得不說(shuō)，微秒級(jí)別的穩(wěn)定時(shí)間仍然太短暫了，要讓現(xiàn)在的量子計(jì)算系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)分子和材料學(xué)的計(jì)算，依舊捉襟見(jiàn)肘。

量子系統(tǒng)電路

為了克服這個(gè)問(wèn)題，計(jì)算誤差必須得到修正。也就是說(shuō)，我們要讓錯(cuò)誤發(fā)生的概率低于我們可以忍受的閾值。截止到現(xiàn)在，在科學(xué)家地不懈努力之下，我們可以容忍的錯(cuò)誤概率已經(jīng)越來(lái)越大。（這里我需要解釋一下，科學(xué)家們努力的側(cè)重點(diǎn)并非是花大力氣去降低量子系統(tǒng)本身的錯(cuò)誤發(fā)生頻率，而是通過(guò)信號(hào)傳遞和讀取，以及電路設(shè)計(jì)上的手段來(lái)提高我們能夠容忍的錯(cuò)誤概率。）而且，這個(gè)可容忍概率已經(jīng)從0.01%提高到了1%。不過(guò)，我們也因此付出了很多代價(jià)：額外的量子比特編解碼系統(tǒng)。

目前面對(duì)的挑戰(zhàn)

直到今天，我們的量子系統(tǒng)中還沒(méi)能將量子比特的位數(shù)提高到20以上。那么，阻礙我們提高量子比特位數(shù)的困難在哪兒呢？

第一，量子比特對(duì)的統(tǒng)一性和產(chǎn)出率需要得到進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有的量子產(chǎn)生設(shè)備都還在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，生產(chǎn)環(huán)境并不可靠，也沒(méi)有對(duì)量子比特進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，因此不同的設(shè)備產(chǎn)生的量子比特都存在差異。所以，我們期望能擁有一種高效和高可靠性的流程和機(jī)制，并且在極度凈化的環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)。為了降低成本和開(kāi)銷，我們也寄托于利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備來(lái)輔助量子比特的生產(chǎn)。

第二，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而可靠的電路環(huán)境來(lái)讀取和控制量子比特，我們還需要設(shè)計(jì)專用的DAC、ADC、射頻源、低噪聲放大器、微波產(chǎn)生器、多路選擇器、數(shù)據(jù)采取和處理單元等等電路結(jié)構(gòu)。正如我們?cè)谇拔乃f(shuō)，這些電路必須也同時(shí)滿足誤差閾值，不然電路自身的不穩(wěn)定性將無(wú)法正確得到量子比特的運(yùn)算結(jié)果。另外，這些電路必須具備較低的成本，因?yàn)槲覀冎灰黾右粋€(gè)量子比特位，這些電路的數(shù)量將成倍上漲。當(dāng)然，這些電路還要求運(yùn)行在極低的溫度下，因此我們不得不基于原先成熟的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以滿足新的需求。

第三，量子比特和讀取設(shè)備之間的聯(lián)系也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)電子系統(tǒng)中，上億個(gè)晶體管可以被整合在一個(gè)處理器中，但是對(duì)于晶體管本身來(lái)說(shuō)，它只是連接了周圍的若干個(gè)晶體管而已。但是，在量子計(jì)算機(jī)中，每個(gè)量子比特都需要接收和發(fā)送信號(hào)。引入上百萬(wàn)個(gè)連線并不是明智之舉，因此多路復(fù)用和分發(fā)機(jī)制是必須要解決和攻克的。

量子計(jì)算電路版圖

展望

之前所說(shuō)的這些挑戰(zhàn)，其實(shí)僅僅是現(xiàn)在的我們能看到的挑戰(zhàn)，而且它們也有很強(qiáng)的相互獨(dú)立性。這就好比我們?nèi)祟惖臍v史，也僅僅只是宇宙生命的一個(gè)瞬間。我們?nèi)祟愃芸吹胶透惺艿降氖澜?，也僅僅只是九牛一毛。況且，有些簡(jiǎn)單的問(wèn)題無(wú)法得以發(fā)掘和展現(xiàn)，正是因?yàn)槲覀內(nèi)祟惐旧淼男畔⑦B通性的不足。因此，人類能否成功整合這些電路系統(tǒng)才是量子計(jì)算機(jī)面臨的真正挑戰(zhàn)。

好在Intel、Microsoft、Google、IBM等都在這個(gè)領(lǐng)域里開(kāi)始有所建樹。其中，Intel已經(jīng)開(kāi)始和荷蘭Delft大學(xué)合作，進(jìn)行更加深入地研究。我們有理由相信，在不久的將來(lái)，大規(guī)模的量子系統(tǒng)可以被制造出來(lái)，輔助我們更加了解自己，了解世界。同時(shí)，為了增加量子比特的數(shù)量，我們也期望利用量子算法和誤差糾正法來(lái)試圖用較少的比特位實(shí)現(xiàn)更多的性能。

不過(guò)，我們不能一口吃成個(gè)胖子，事情還要一步一步來(lái)。科學(xué)家們普遍希望10年之內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)的性能可以滿足材料科學(xué)和分子生物學(xué)的運(yùn)算量。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)小小的目標(biāo)，幾乎所有科技行業(yè)的從業(yè)人員都有機(jī)會(huì)加入這個(gè)巨大的人類項(xiàng)目中。要說(shuō)未來(lái)究竟如何，我們只能拭目以待了。