在物理学界, 有一条著名的定律叫作摩尔定律. 摩尔定律认为, 单位面积芯片集成晶体管数目每18个月翻番, 计算性能随之翻番. 因此, 芯片作为电子工业的硬件基础不断刷新着人们对于电子信息技术的想象.
近日, 在未来科学大奖 '物质科学奖' 学术报告会上, 中国科学院大学卡弗里理论科学研究所所长张富春表示, '摩尔定律入侵量子计算, 量子技术革命将驱动科技, 经济与社会的变革. '
经典计算的极限
当主流芯片制程还停留在14~22nm时, 2017年, IBM正式宣布突破5nm芯片制造工艺. 有人大胆预计, 到2020年, 芯片制程将达到2~3nm. 尽管如此, 芯片的发展还是遇到了一定的瓶颈问题, 一是芯片过热, 二是量子效应. 张富春表示, 这就意味着今后摩尔定律能否成立可能将是一个大问题.
张富春分析了经典计算与量子计算的区别, '经典比特是0和1, 而量子比特是0和1的量子态叠加. 量子并行性, 即作用于N个量子比特上的量子逻辑门, 可以同时对2N个叠加系数进行运算, 远远超过了今天经典计算的能力' .
以分解N位整数的复杂度为例, 张富春表示, 经典算法需要很长的时间, 而量子算法相比经典算法有指数级的提升, '这就可以用来解决大规模的计算难题, 可以广泛应用于密码分析, 大数据处理, 气象预报等领域' .
事实上, 量子计算发展到现在可以称得上是 '理论和实验' 齐头并进. 张富春说, 目前已经出现了 '走向实用化' 的苗头. 在工业界, 微软, 谷歌, IBM等科技巨头公司相继在量子计算的研发方面投入了大量的人力, 物力和财力. 2005年, 微软成立Station Q研究拓扑量子计算; 2015年, D - wave推出超过1000比特的量子退火机; 2015年, 英特尔投资开发基于半导体的量子计算机; 2016年, 谷歌与加州大学圣芭芭拉分校实现9比特超导量子器件; 2017年, IBM宣布实现17比特超导量子器件.
量子计算超越经典计算难题
量子计算对器件的要求是什么? 张富春介绍道, 量子计算实现的必要条件是器件的可扩展, 可初始化, 长相干, 通用门, 可测量. 这其中, 可扩展性和长相干性是两个重要的方面. 可扩展性是指增加量子比特数目, 以实现大规模量子计算; 长相干时间, 即量子态保持量子相干, 能用于逻辑运算.
张富春表示, 量子计算的实现方案各有优缺点, 但是, '可扩展性和相干性这两方面的优势难以兼得是量子计算研究长期以来存在的问题. ' 例如, 超导方案具有可扩展性好的相对优势, 但同时它也存在相干时间较短的相对劣势; 而拓扑量子计算的相对优势是理论相干时间长, 错误率低, 相对劣势为实验仅处于起步阶段. '超导量子计算是目前的主流实验方案, 但拓扑量子计算方案具有明显的前瞻性, 理论上, 能解决其他方案遇到的量子退相干与纠错的问题. '
基于超导约瑟夫森结的量子器件通常采用传统半导体芯片的微加工技术, 具有易扩展的特点, 也拥有相对成熟的外场调控技术, 量子态可精确制备, 调控, 测量. 张富春表示, 我国的超导量子计算在国际上已经处于比较前沿的水平, 比如中科大, 浙大, 中科院物理所合作的量子比特耦合系统, '性能相当不错' . 目前, 超导量子器件研制的最新进展为英特尔的17量子比特, 该器件的目标为演示超越经典计算机的计算难题.
在拓扑量子计算中, 拓扑物态中非阿贝尔任意子可以实现拓扑稳定的量子比特. 拓扑稳定可以有效抵抗杂质, 相互作用等的扰动, 从而解决量子退相干与纠错的问题, 实现容错量子计算.
分子, 原子以及基本粒子等构成了物质世界的尺度, 多体物理系统一定条件下会演生新粒子.
'有一种与拓扑量子计算有关的粒子叫作马约拉纳费米子. ' 张富春介绍道, 它的特点是其反粒子等于粒子本身, '目前自然界还没有发现这种粒子. 但是, 最近物理学家在凝聚态材料中发现了很多这样的粒子. 准确地说, 马约拉纳零模是拓扑量子计算的砌块 (building block) , 这是一件具有重要意义的事情. '
拓扑量子计算存在挑战
那么, 为什么可以有马约拉纳粒子? 张富春表示, 这是因为超导机理中的电子成对 (Cooper pair) 破坏了电荷守恒对称. '超导的元激发是电子和空穴的叠加, 空穴是凝聚态体系中的 '正电子' , 所以, 我们可以在相同自旋调控中制备出 '反粒子=粒子本身' 的新粒子, 即马约拉纳粒子. '
张富春介绍了凝聚态材料中目前在探索的马约拉纳粒子. '微软做的超导纳米线宣称有望两年内制作出1个量子比特. 一维拓扑超导纳米线InAs纳米线+s-wave超导首次观测到零模, 纳米线端点零模的能隙随着尺寸增大而指数减小. 此外, 还有清华大学薛其坤发现的手性马约拉纳零模等. '
此外, 张富春认为, 拓扑量子计算也面临着诸多挑战. '这些马约拉纳粒子目前只是证据, 还不能形成定论; 量子中毒 (quantum poisoning) 把马约拉纳态与其他态以及其他马约拉纳粒子远远分开; 而机械编织很难用测量代替. '
物理学家在1947年发明了晶体管, 开创了半导体工业, 为现代信息技术打下了基础. 那么, 物理学家今天还能在量子计算方面有新的突破吗? 对此, 张富春表达了自己的信心, '中国近10年在高温超导和拓扑物质研究领域成绩很大, 为拓扑量子计算发展作了很好的准备, 我认为非常有希望' .