量子計算在電路和系統(tǒng)設(shè)計上的分析和介紹

雷·庫茲韋爾在《奇點臨近》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S型曲線，不斷積累，不斷突破，最終跨越了一個又一個科學(xué)范式。

回想起互聯(lián)網(wǎng)革命，我們簡單將其囊括云計算、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)展的一個產(chǎn)物。我們歡欣鼓舞地大踏步前進(jìn)，試圖掃平面對的一切困難，甚至提出了“讓機(jī)器制造知識”的方案。對外，我們想了解宇宙太空；對內(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，卻連一個簡單如同圍棋的游戲都沒法完全掌握。一想到浩瀚宇宙里數(shù)不清的行星，再想到每個人大腦里數(shù)不清的神經(jīng)元，我們根本笑不出來。我們的欲望越來越大，給自己埋下苦澀的新問題已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了現(xiàn)有超級計算機(jī)的運(yùn)算能力。捫心自問，怎么辦？我們站在S曲線的頂端，仰望天空，卻發(fā)現(xiàn)其實我們又開始了一個新的輪回——量子計算。

S型技術(shù)爆發(fā)曲線

量子計算概述

伴隨著電腦和互聯(lián)網(wǎng)生長起來的我們，對于計算的基本認(rèn)知無非是二進(jìn)制的運(yùn)算，以1和0位基本單元。由此，在計算系統(tǒng)設(shè)計中，我們也以高低電壓來代表1和0。它們相互變換的機(jī)制組成了我們的計算系統(tǒng)。每一次變換除了消耗能量，還要了消耗我們的時間?？此莆⑿〉南?，在億萬次的運(yùn)算之中便累積成了我們?nèi)祟悷o法承受之重。

要不是摩爾定律的詛咒，想要直面未來，我們不得不絞盡腦汁，嘗試用更加特立獨行的計算模型，來吸引科技界的目光。量子計算就是一個典型例子。它的基本單位是量子比特，也可以稱作“qubits”。相比電子和空穴來說，量子比特最大的特征就是可以同時展現(xiàn)兩種狀態(tài)。這聽起來簡直匪夷所思，就好比一個人可以同時出現(xiàn)在地球的兩個地方，還能互相提供不在場證明。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。在這個球體的任意一點都是一個合法的量子狀態(tài)，可以寫作|0>和|1>組合的一個線性方程。

量子對方程式

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

當(dāng)我們面對幾乎無限的計算資源，科學(xué)家們勢必需要開發(fā)一些充滿智慧的算法，將這些計算資源合理分配到各種重要的應(yīng)用當(dāng)中。這是量子計算面臨的另一項挑戰(zhàn)。倘若我們攻破了這些問題，在已知的一些領(lǐng)域，例如化學(xué)和材料科學(xué)等，量子計算可以極大地簡化科學(xué)實驗和設(shè)計，甚至能攻破一切密碼學(xué)的枷鎖。那么未來我們面對的“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)生一個量子比特，我們必須首先擁有一個量子系統(tǒng)。這個系統(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。這些控制信號可以通過邏輯門來實現(xiàn)。

如同數(shù)字系統(tǒng)一樣，量子系統(tǒng)可以通過一系列離散信號實現(xiàn)任何數(shù)字邏輯，例如AND、OR等等。不過，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的形式出現(xiàn)，而且兩個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機(jī)制來識別和控制量子比特對。

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。因此，我們熟悉的固態(tài)電路系統(tǒng)必不可少。近些年來，科學(xué)家們的很多研究都在嘗試采用超導(dǎo)體電路來實現(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)生的兩個超低能量狀態(tài)之中。這種振蕩器往往由相互交錯的電容器和一個非線性電感組成，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看看。

無論是超導(dǎo)量子比特還是自旋量子比特，它們能穩(wěn)定生存在這個世界并實現(xiàn)計算，需要幾個的條件：超低溫運(yùn)行環(huán)境、模擬控制信號、讀取量子比特的射頻技術(shù)等等。盡管這些需求對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)

在量子計算機(jī)上編程

當(dāng)我們擁有了這樣一個量子計算系統(tǒng)，緊接著我們就要在一臺量子計算機(jī)上進(jìn)行編程。和傳統(tǒng)計算機(jī)相比，這其實沒有什么區(qū)別，無論是編程語言、編譯器、微系統(tǒng)架構(gòu)，甚至機(jī)器語言都基本一致。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)字計算機(jī)上，而機(jī)器語言則通過一種數(shù)字信號單元被編譯為模擬控制信號，傳遞給量子比特。簡而言之，我們利用傳統(tǒng)電子系統(tǒng)來輸入和解讀量子比特產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而把計算部分交給量子系統(tǒng)。

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

事物總有兩面性。既然量子計算機(jī)擁有這么強(qiáng)的性能，也會有它的缺點。其中一個關(guān)鍵的問題就在于，量子計算機(jī)僅僅使用了相對很小的并行運(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，計算便會發(fā)生錯誤，從而影響整個計算結(jié)果。到目前為止，科學(xué)家已經(jīng)可以將超導(dǎo)量子計算的穩(wěn)定時間提高到了100微秒，對于自旋量子計算的穩(wěn)定時間甚至提高到了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)該感謝近些年來材料科學(xué)和電路設(shè)計的發(fā)展，才能降低量子系統(tǒng)對于周圍環(huán)境的敏感性。但是，我們不得不說，微秒級別的穩(wěn)定時間仍然太短暫了，要讓現(xiàn)在的量子計算系統(tǒng)來實現(xiàn)分子和材料學(xué)的計算，依舊捉襟見肘。

量子系統(tǒng)電路

為了克服這個問題，計算誤差必須得到修正。也就是說，我們要讓錯誤發(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，我們可以容忍的錯誤概率已經(jīng)越來越大。（這里我需要解釋一下，科學(xué)家們努力的側(cè)重點并非是花大力氣去降低量子系統(tǒng)本身的錯誤發(fā)生頻率，而是通過信號傳遞和讀取，以及電路設(shè)計上的手段來提高我們能夠容忍的錯誤概率。）而且，這個可容忍概率已經(jīng)從0.01%提高到了1%。不過，我們也因此付出了很多代價：額外的量子比特編解碼系統(tǒng)。

目前面對的挑戰(zhàn)

直到今天，我們的量子系統(tǒng)中還沒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)實驗室中，生產(chǎn)環(huán)境并不可靠，也沒有對量子比特進(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)。為了降低成本和開銷，我們也寄托于利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備來輔助量子比特的生產(chǎn)。

第二，為了實現(xiàn)穩(wěn)定而可靠的電路環(huán)境來讀取和控制量子比特，我們還需要設(shè)計專用的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)。正如我們在前文所說，這些電路必須也同時滿足誤差閾值，不然電路自身的不穩(wěn)定性將無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，因為我們只要增加一個量子比特位，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，以滿足新的需求。

第三，量子比特和讀取設(shè)備之間的聯(lián)系也是一個巨大的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)電子系統(tǒng)中，上億個晶體管可以被整合在一個處理器中，但是對于晶體管本身來說，它只是連接了周圍的若干個晶體管而已。但是，在量子計算機(jī)中，每個量子比特都需要接收和發(fā)送信號。引入上百萬個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。

量子計算電路版圖

展望

之前所說的這些挑戰(zhàn)，其實僅僅是現(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，有些簡單的問題無法得以發(fā)掘和展現(xiàn)，正是因為我們?nèi)祟惐旧淼?a target="_blank">信息連通性的不足。因此，人類能否成功整合這些電路系統(tǒng)才是量子計算機(jī)面臨的真正挑戰(zhàn)。

好在Intel、Microsoft、Google、IBM等都在這個領(lǐng)域里開始有所建樹。其中，Intel已經(jīng)開始和荷蘭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，大規(guī)模的量子系統(tǒng)可以被制造出來，輔助我們更加了解自己，了解世界。同時，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試圖用較少的比特位實現(xiàn)更多的性能。

不過，我們不能一口吃成個胖子，事情還要一步一步來?？茖W(xué)家們普遍希望10年之內(nèi)，量子計算機(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。為了實現(xiàn)這個小小的目標(biāo)，幾乎所有科技行業(yè)的從業(yè)人員都有機(jī)會加入這個巨大的人類項目中。要說未來究竟如何，我們只能拭目以待了。