在物理學界, 有一條著名的定律叫作摩爾定律. 摩爾定律認為, 單位面積晶片整合晶體管數目每18個月翻番, 計算性能隨之翻番. 因此, 晶片作為電子工業的硬體基礎不斷刷新著人們對於電子資訊技術的想象.
近日, 在未來科學大獎 '物質科學獎' 學術報告會上, 中國科學院大學卡弗裡理論科學研究所所長張富春表示, '摩爾定律入侵量子計算, 量子技術革命將驅動科技, 經濟與社會的變革. '
經典計算的極限
當主流晶片製程還停留在14~22nm時, 2017年, IBM正式宣布突破5nm晶片製造工藝. 有人大膽預計, 到2020年, 晶片製程將達到2~3nm. 儘管如此, 晶片的發展還是遇到了一定的瓶頸問題, 一是晶片過熱, 二是量子效應. 張富春表示, 這就意味著今後摩爾定律能否成立可能將是一個大問題.
張富春分析了經典計算與量子計算的區別, '經典比特是0和1, 而量子比特是0和1的量子態疊加. 量子並行性, 即作用於N個量子比特上的量子邏輯門, 可以同時對2N個疊加係數進行運算, 遠遠超過了今天經典計算的能力' .
以分解N位整數的複雜度為例, 張富春表示, 經典演算法需要很長的時間, 而量子演算法相比經典演算法有指數級的提升, '這就可以用來解決大規模的計算難題, 可以廣泛應用於密碼分析, 大數據處理, 氣象預報等領域' .
事實上, 量子計算髮展到現在可以稱得上是 '理論和實驗' 齊頭並進. 張富春說, 目前已經出現了 '走向實用化' 的苗頭. 在工業界, 微軟, 穀歌, IBM等科技巨頭公司相繼在量子計算的研發方面投入了大量的人力, 物力和財力. 2005年, 微軟成立Station Q研究拓撲量子計算; 2015年, D - wave推出超過1000比特的量子退火機; 2015年, 英特爾投資開發基於半導體的量子計算機; 2016年, 穀歌與加州大學聖芭芭拉分校實現9比特超導量子器件; 2017年, IBM宣布實現17比特超導量子器件.
量子計算超越經典計算難題
量子計算對器件的要求是什麼? 張富春介紹道, 量子計算實現的必要條件是器件的可擴展, 可初始化, 長相干, 通用門, 可測量. 這其中, 可擴展性和長相干性是兩個重要的方面. 可擴展性是指增加量子比特數目, 以實現大規模量子計算; 長相干時間, 即量子態保持量子相干, 能用於邏輯運算.
張富春表示, 量子計算的實現方案各有優缺點, 但是, '可擴展性和相干性這兩方面的優勢難以兼得是量子計算研究長期以來存在的問題. ' 例如, 超導方案具有可擴展性好的相對優勢, 但同時它也存在相干時間較短的相對劣勢; 而拓撲量子計算的相對優勢是理論相干時間長, 錯誤率低, 相對劣勢為實驗僅處於起步階段. '超導量子計算是目前的主流實驗方案, 但拓撲量子計算方案具有明顯的前瞻性, 理論上, 能解決其他方案遇到的量子退相干與糾錯的問題. '
基於超導約瑟夫森結的量子器件通常採用傳統半導體晶片的微加工技術, 具有易擴展的特點, 也擁有相對成熟的外場調控技術, 量子態可精確製備, 調控, 測量. 張富春表示, 我國的超導量子計算在國際上已經處於比較前沿的水平, 比如中科大, 浙大, 中科院物理所合作的量子比特耦合系統, '性能相當不錯' . 目前, 超導量子器件研製的最新進展為英特爾的17量子比特, 該器件的目標為演示超越經典計算機的計算難題.
在拓撲量子計算中, 拓撲物態中非阿貝爾任意子可以實現拓撲穩定的量子比特. 拓撲穩定可以有效抵抗雜質, 相互作用等的擾動, 從而解決量子退相干與糾錯的問題, 實現容錯量子計算.
分子, 原子以及基本粒子等構成了物質世界的尺度, 多體物理系統一定條件下會演生新粒子.
'有一種與拓撲量子計算有關的粒子叫作馬約拉納費米子. ' 張富春介紹道, 它的特點是其反粒子等於粒子本身, '目前自然界還沒有發現這種粒子. 但是, 最近物理學家在凝聚態材料中發現了很多這樣的粒子. 準確地說, 馬約拉納零模是拓撲量子計算的砌塊 (building block) , 這是一件具有重要意義的事情. '
拓撲量子計算存在挑戰
那麼, 為什麼可以有馬約拉納粒子? 張富春表示, 這是因為超導機理中的電子成對 (Cooper pair) 破壞了電荷守恒對稱. '超導的元激發是電子和空穴的疊加, 空穴是凝聚態體系中的 '正電子' , 所以, 我們可以在相同自旋調控中製備出 '反粒子=粒子本身' 的新粒子, 即馬約拉納粒子. '
張富春介紹了凝聚態材料中目前在探索的馬約拉納粒子. '微軟做的超導納米線宣稱有望兩年內製作出1個量子比特. 一維拓撲超導納米線InAs納米線+s-wave超導首次觀測到零模, 納米線端點零模的能隙隨著尺寸增大而指數減小. 此外, 還有清華大學薛其坤發現的手性馬約拉納零模等. '
此外, 張富春認為, 拓撲量子計算也面臨著諸多挑戰. '這些馬約拉納粒子目前只是證據, 還不能形成定論; 量子中毒 (quantum poisoning) 把馬約拉納態與其他態以及其他馬約拉納粒子遠遠分開; 而機械編織很難用測量代替. '
物理學家在1947年發明了晶體管, 開創了半導體工業, 為現代資訊技術打下了基礎. 那麼, 物理學家今天還能在量子計算方面有新的突破嗎? 對此, 張富春表達了自己的信心, '中國近10年在高溫超導和拓撲物質研究領域成績很大, 為拓撲量子計算髮展作了很好的準備, 我認為非常有希望' .