[科技对话]即便量子计算时代到来…“半导体”依然不会消亡

by Lim Juhyeong

Published 23 Sep.2023 08:00(KST)

Updated 20 Dec.2023 10:30(KST)

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量子计算机比普通电脑快3万亿倍
即使商用化也仍依赖“普通半导体”
量子纠错需海量算力
NVIDIA、Xilinx等有望受益

人们常说的“量子计算机”照片看起来与普通计算机截然不同：在巨大的黄铜色圆盘内部，密密麻麻的线缆成束缠绕。

被认为远比传统计算机快得多的量子计算机一旦实现商业化，仿佛会让我们一直使用的“硅半导体”沦为过去式。

但现实中很可能恰好相反。由于量子计算机本身是一个对我们来说十分陌生的新技术领域，它反而要依赖我们迄今为止一直在使用的传统半导体计算机芯片。

美国 IBM 开发的量子计算机 [图片来源=IBM 提供]

普通计算机依靠电信号运作，以区分为0和1的“比特”为单位存储数据。相反，量子计算机则基于0和1叠加态的量子物质“量子比特”运行。正因如此，它被认为在运算速度上最高可比传统计算机快30万亿倍。

但量子计算机越快，也就越脆弱。这源于量子所特有的叠加态特性：与普通比特不同，量子比特在极其微小的“噪声”干扰下就会迅速坍缩、失去叠加态。

这里所说的噪声不仅仅是一般意义上的声音，还包括微弱的引力波以及各种电磁波等。因此，要正确操控量子计算机，就必须让量子比特保持稳定，并对已经被破坏的量子比特进行校正，也就是要完善所谓的“量子纠错（Quantum Error Correction，QEC）”技术。

英伟达的“Cuquantum”为解决量子计算机的噪声问题提供包括仿真在内的各类算法。英伟达供图

在这里，“传统计算机”再次登场。量子纠错是在量子计算机内部不断模拟量子比特状态，查找并纠正错误的过程。要实现这一类算法，需要庞大的计算能力，通常由超级计算机来执行这项任务.

因此，目前的量子计算机实际上是一种将量子计算机与超级计算机相结合的形态，被称为“混合量子计算（Hybrid Quantum Computing，HQC）”。而在HQC体系中，使用的正是大众非常熟悉的计算机芯片。

例如，以人工智能（AI）用图形处理器（GPU）闻名的英伟达（NVIDIA），已经是HQC行业中的重要玩家之一。该公司利用GPU的并行计算能力来实现复杂的量子纠错算法，并开发提升量子计算机与传统计算机之间数据通信速度的技术。将相关技术整合而成的工具包“CuQuantum”也是由英伟达开发。

AMD的子公司“Xilinx”同样是活跃在量子计算领域的传统计算机芯片企业。Xilinx因掌握能提升数据中心数据收发速度的专用芯片“现场可编程门阵列（FPGA）”技术而闻名，并将这一技术用作量子计算机与传统计算机之间的“桥头堡”。

Google的量子计算机研究室。如今大多数量子计算机都作为与超级计算机联动的“混合计算机”进行开发。图片由Google提供

到了量子计算机实现商业化的时代，很可能会需要比现在更多得多的传统半导体。如今众多以量子计算商用化为目标的硬科技初创企业，其实大多仍在传统半导体领域开展研究。

在量子纠错算法开发领域处于领先地位的“Riverlane”，利用自主设计的专用集成电路（ASIC）来实现“量子纠错解码器（QEC Decoder）”。通过将这一ASIC连接在量子计算机与传统计算机之间，可以比既有方式更高速地处理威胁量子比特的噪声。

对于其他既有大型企业而言，量子计算机市场的发展也将意味着更大的机遇。为了支持改进量子比特错误的模拟与校正工作，将会需要更多的中央处理器（CPU），以及更快、更大容量的存储芯片。

用于抑制量子计算机噪声的技术也大多以 ASIC（定制芯片）形式开发。图为量子计算机解码器初创公司 Riverain 的芯片。图片由 Riverain 提供

自20世纪50年代晶体管被发明以来，虽然诞生了无数种类的半导体，但迄今为止还没有任何一个细分领域真正被淘汰或废弃。从逻辑芯片到存储芯片，甚至到模拟半导体，它们在现实产业中都各自发挥着独特作用。

量子计算机同样很可能不会把整个半导体产业“一笔勾销”，而是作为“计算机产业”这一庞大生态系统中的一个组成部分，与其他技术相互促进、共同做大整体“蛋糕”，产生积极影响。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。