[读懂科学]“神之技术”量子计算机…聚焦韩国半导体

Published 03 Jul.2023 10:27(KST)

实现量子比特需最先进韩国半导体技术
错误纠正等商用化道路上课题重重

量子计算机是拯救人类的“神之技术”吗？这是上月26日至29日在首尔东大门DDP举行的“Quantum Korea 2023”活动结束后留下的感想。在此次活动上，与会者强调，通过突破性发展尖端技术，量子计算机有望成为解决人类所面临的气候变化、资源枯竭等危机的手段。与此同时，也有观点指出，量子计算机并非万能解题者，与既有技术不同，短时间内难以解决的诸多挑战正横亘在前。下面就来看看量子计算机的光明前景与阴影。

数字比特与量子比特

要理解量子计算机，必须先弄懂“量子比特（Quantum + Bit = Qubit）”。传统的数字比特计算机使用的是数字比特：通电为1，不通电为0。它可以进行加减乘除等四则运算，并在此基础上完成复杂的计算。

量子比特利用的是量子科学中的叠加（superposition）原理。量子科学是研究物质最小单位——原子性质的学科。根据这一理论，在“被观测”之前，原子的状态尚未确定，而是处于叠加状态。利用这一点，就可以实现快得多的信息处理。也就是说，假设有3个比特，可能的组合从(0, 0, 0)到(1, 1, 1)一共8种，数字比特一次只能选用其中一种，而量子比特可以同时表示全部8种。如果扩展到20个量子比特，就能一次性表示多达104万8576条信息。通俗地说，传统数字计算机是串行方式：在只有一条通道的迷宫里，把所有路一条条亲自走一遍，经过不断试错才找到正确出口。对于简单任务，耗时不长，但变量多、计算复杂时就不可避免要花很久。而量子计算机则是并行方式，可以同时分析所有可能路径，从而找到出口。从理论上讲，它的运算速度可比现有超级计算机快30万亿倍以上，比普通计算机快1万万亿倍以上。

韩国科学技术研究院（KIST）量子信息研究团团长 Han Sanguk 表示：“量子比特同时具有介于0和1之间的状态，是通过让一个原子在状态A和状态B之间来回切换，从而进行信息处理。与一次只能处理一个状态的数字比特不同，量子比特可以按一次性可实现的数量同时运作，因此信息处理速度要快得多。”

纠缠（entanglement）现象也是量子信息技术的核心原理。打个比方，把一个原子分成两部分，无论两者相距多远，都能保持纠缠状态，其中一方的状态发生变化，另一方的状态也会随之改变。利用这一原理，科研界正在研究可以测量极其微小变化的量子传感器，以及谁也无法攻破的量子通信安全技术。

量子比特是如何制造的？

实现传统数字比特的是我们常见的半导体——把微小的晶体管堆叠在硅晶圆上。要实现量子计算机的核心——量子比特，目前主要在研究四大技术路线。首先是谷歌、IBM等公司正在研究的超导量子比特。在所有物质的电阻都消失的绝对零度（零下273.15摄氏度）附近，将约瑟夫森结、电容、电感等元件堆叠在硅晶圆上，实现量子比特。

还有“离子阱”方式。韩国出身的 Kim Jungsang 与人共同创立的 IonQ 正在研究这一路线。在真空状态下的小腔体中捕获离子（原子），用作量子比特。在真空腔体内通过调节电压，让离子悬浮在空中被“困住”，再让这些离子像晶体管一样工作。无需额外制作器件，而是将一个个离子（原子）直接作为量子比特。光子量子比特则是把量子态编码到单个光子上，用作量子比特。KIST正在研究的金刚石NV中心量子比特方式也备受关注：在由碳原子构成的金刚石晶体中，把本应是碳原子的位置换成氮原子，并在紧邻本应是碳原子的位置制造一个空位，将其作为量子比特使用。

这些量子比特实现技术有一个共同点：都离不开半导体工艺技术。与传统半导体制造相似的超导量子比特更是如此。离子阱方式也需要利用半导体工艺技术，把捕获离子的器件制成芯片形态。光子量子比特在制造光子通过的路径时，金刚石NV中心方式在金刚石晶圆中植入氮原子并制造空位时，同样都必须使用半导体工艺技术。

在这一点上，韩国有机会形成追赶主要量子强国的动能。27日在东大门DDP遇到的世界级量子计算学者对此表示强烈认同。前IBM研究员 Charles Bennett、加州大学圣塔芭芭拉分校教授 John Martinis、英国帝国理工学院教授 Kim Myungsik 等人一致表示：“韩国拥有令人惊叹的尖端半导体工艺技术，如果善加利用，有望成为量子计算机强国。”

量子计算机将创造的未来

谷歌在2019年10月开发的50量子比特级量子计算机“Sycamore”，在仅用200秒的时间里，完成了超级计算机需要1万年才能完成的复杂运算。这种超高速运算能力将开启怎样的时代？全球科学界称之为“第二次量子革命时代”。典型前景包括：人工智能（AI）高度发展、新药与新材料研究的革命、能源与宇宙难题的破解、无人能破译的加密与网络技术、超高精度与超高灵敏度传感器的开发等。以韩国为例，量子计算的超高速运算功能可以实现韩国代表性产业——半导体制造与生产的最优化。借助大幅增强的AI与量子传感器，可实现自动驾驶技术与超精细工艺设计，从而出现性能大幅提升的电池。数据处理将具备超高速与超大容量，同时实现高度安全，为生物、机器人、AI等未来尖端产业带来一场全面创新。利用量子计算机分析由数十亿个碱基对组成的DNA，革命性的疾病治疗技术和新药开发将变得极为容易。能够处理数千亿乃至万亿级参数的超大规模人工智能，以及与人类极为相似的人形机器人也会随之登场。

量子计算不仅有望解开宇宙、地球与生命起源之谜，还将为解决资源枯竭、小行星撞击等重大问题提供线索。例如，如果通过量子模拟阐明氮固定的机理，就可以大幅削减全球化肥生产所消耗的巨额能源。人类活动范围将扩展到宇宙，迎来行星探测与开发、能源生产等为特征的太空时代。在密码破解、金融、交通、电力分配等所有领域，都有可能找到颠覆性的解决方案。现有的一切加密体系或许都能被破解，但与此同时，将出现任何手段都无法解开的强力新型密码。

Han 团长表示：“就像有无计算机的时代截然不同一样，量子计算机的应用领域越广泛，有无量子计算机的世界也会变得截然不同。”

前路仍然漫长

然而，眼前的课题依然堆积如山。首先是“错误现象”问题。量子计算机的特性决定了它在原子层面仅依靠极少量能量运行。为了实现量子态（叠加与纠缠），必须具备真空、超导等环境以及特殊材料，这注定要消耗大量能源和资源，且系统本身也难以稳定。也就是说，量子计算机产生错误的根源在于周围的噪声，既包括超导、真空等环境因素，也包括材料等硬件本身。近期，IBM展示了缓解错误、从而真正利用量子计算机高速运算能力的路径；谷歌也在今年2月推出了纠错技术。

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传统计算机的晶体管在早期同样错误频出，但随着技术发展，这些错误已被消除。目前学界正从多方面研究错误缓解与纠错技术，研究重点集中在“如何制造出错误更少的‘优质量子比特’”。例如，如果能够在常温常压环境下实现量子态，就有望制造出几乎没有错误的优质量子比特。开发可在产业领域应用的专用量子算法，也是重大课题之一。还必须克服一个现实问题：由于需要超导、真空等条件，目前的量子计算机在能源与资源消耗上堪比“原始计算机”ENIAC。Han 团长表示：“基于传统四则运算的算法在量子计算机上反而更慢，因此必须开发专用的量子算法。量子比特本身（不含外围装置）能耗极低，随着技术发展，有望实现小型化与低能耗。”

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