比超级计算机快百万亿倍 仅是量子计算“星辰大海”的第一步？

早在上世纪80年代，美国著名物理学家费曼就提出了根据量子力学规律工作的计算机概念，这被认为是最早的量子计算机构想，之后科技界从未停止探索。

近年来，量子计算机领域频繁取得重要进展:美国霍尼韦尔公司开发了64量子体积的量子计算机，表现是上一代的两倍，2020年底，中国科技大学潘建伟教授等人成功构建了76个光子量子计算机九章，2月初，中国本源量子计算公司负责开发的中国首个量子计算机操作系统本源司南正式发布了helliphelliphel

作为今后100年内最重要的计算机技术第四次工业革命的引擎，量子计算机对许多人来说是黑色技术的顶点世界各国纷纷布局量子计算，取得不同成果后，量子计算一直停留在未来，但未来值得期待。

摩尔法则结束后，量子计算负责

1960年代，平面型集成电路问世，雕刻技术成为半导体部件性能的决定因素:雕刻精度不断提高，部件密度也相应提高。因此，平面技术被认为是半导体的工业键，也是摩尔法则登场的技术基础。

摩尔法则指出，平均每18个月集成电路芯片的电路数量翻了一番。这不是严格的科学法则，但在一定程度上反映了信息化大数据时代人类对计算能力指数增长的期待。

随着芯片整合度的提高，我们的手机、电脑等电子产品也在更新。那么，摩尔法则不会结束吗？

摩尔法则的技术基础自然受到两个主要物理限制。一个是巨大的能源消耗芯片有烧毁的危险。芯片发热主要是因为电脑门在操作的时候，其中不可逆门的操作会失去比特，每次失去一个比特就会产生相应的热量，操作速度越快，单位时间内产生的热量就越多，电脑温度必然会快速上升，必须消耗大量的能量用于散热，否则芯片就会被高温烧坏。

第二，量子隧道的穿透效果限制了集成电路的细度。为了提高集成度，晶体管越小，晶体管越小，量子隧道的穿透效果越小。势垒边平动的粒子，动能小于势垒高度时，根据古典的力学，粒子不能越过势垒的微观粒子，量子力学证明还有一定的概率贯穿势垒，实际上这种现象被称为隧道效果。简而言之，当集成电路的精细程度达到一定水平时，特别是当电路的线宽接近电子波长时，电子通过隧道穿透效果穿透绝缘层，使设备无法正常工作。鉴于以上两点，物理学家预言摩尔法则将结束。目前基于半导体芯片技术的经典计算机，芯片整合密度不可能永远增加，接近物理极限，应对日益增加的数据处理需求可能越来越困难。

最新一代英特尔核心处理器，其芯片的每平方毫米面积已集成1亿个晶体管。我国太湖之光超级计算机，大概使用了4万多个CPU。摩尔法则结束后，提高运算速度的方法是什么？破位方向指向量子计算。

量子比特提高了信息处理速度指数

给古典计算机带来障碍的量子效应，反而成为量子计算机的力量。

费曼认为微观世界的本质是量子，为了模拟它，必须使用与自然界的工作原理相同的方法，即量子的方法。他将物理学和计算机理论联系起来，提出了基于量子状态叠加等原理的量子计算机概念。

比特是信息操作的基本单元，基于量子叠加态的原理，科学家们试图用量子比特代替古典比特。

经典比特有两种可能状态，经常用0和1来表示开关，只有开关两种状态。量子比特就像旋钮，可以连续调整，可以指向任何角度。也就是说，量子比特不仅处于两种状态，还处于0和1之间任意比例的重叠状态。想象一下，放在桌子上静止的硬币，只能看到它的正面和背面，快速旋转时，看到的是正面和背面。因此，量子计算机就像许多硬币同时跳舞开发者_如何学编程。

假设一台经典电脑有两个比特，在某个确定时刻，最多只能表示00、10、01、11这四种可能性的一种量子计算可以同时表示4种信息状态。

对于典型的计算机来说，n个比特只有2N个状态，而对于量子比特，n个量子比特可以在2N个状态下任意重叠。理论上，如果操作n个比特的量子重叠状态，则相当于同时操作2的n次方形状态。随着可操作比特数的增加，信息的存储量和运算速度指数增加，古典计算机无法预料。

有报道指出，一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当，是今天经典台式机速度的一万倍。据科学家估计，一台50比特的量子计算机，在处理一些特定问题时，计算速度将超越现有最强的超级计算机。

多种发展方案未来可期

量子计算机是宏观尺度的量子设备，环境不可避免地会导致量子相关性的消失(即消失相关性)，一旦量子特性被破坏，量子计算机的并行运行能力基础就会消失，成为典型的串行运算，这是量子计算机研究的主要障碍。

即使量子计算机的研究取得了很多成果，也处于早期发展阶段。与古典计算机相比，今天的量子计算机几乎处于古典计算机的电子管时代，连最下层的物理载体都没有完全形成。

目前主流的技术路径有超导、半导体、离子圈套、光学和量子拓扑五个方向，前四个路径都制作了物理原型机。各国科学家研究较多，比较成熟的有超导量子计算、半导量子点量子计算等。

超导量子计算的核心单元是超导体绝缘体-超导体三层结构的约瑟夫森结电子设备，是晶体管的PN结。其中间绝缘层厚度不超过10纳米，可形成势垒，超导电子可穿过势垒形成超导电流。与其他量子系统相比，超导量子电路的能源结构可以定制电路的设计，也可以通过添加电磁信号来控制。另外，基于现有的集成电路技术，约瑟夫森结量子电路具有可扩展性。这些优点使超导量子电路成为实现可扩展量子计算最有前景的物理方案之一。

量子点量子计算，是利用了半导体量子点中的电子自旋作为量子比特。量子点是具有三维量子强制束缚的半导体异质结构，其中电子能源水平分立，类似于电子原子能源水平结构，因此被称为人工原子。量子比特代码通过电子自旋态、微波脉冲或纯电学的方法进行单量子比特操作。量子点方案的优点是量子位置可以嵌入固体量子设备，与古典计算机的大型集成电路设计相似，被认为是最有可能实现大型量子计算机的候补方案。

量子计算机的运行速度取决于能够控制的量子比特数。由于消除关系的存在，操作量子比特不可避免地会出现错误，计算失效。以超导量子计算为例，1亿次的操作最多只允许犯一次错误。操纵量子比特的难易度很高，很多科学家认为早期量子计算机不能制造。

目前，超导量子芯片比半导体量子芯片发展得更快。2019年，谷歌公司发布了53台超导量子比特的量子计算原型机悬铃木。2020年12月4日，中国科技大学潘建伟团队建立了76个光量子量子计算原型机九章，处理高斯玻璃色采样的速度比现在最快的超级计算机快100兆倍。

但无论是悬铃木还是九章，现在只能处理运算特定数学问题的原型机。我们星海是一台具有大规模容错能力的通用量子计算机。毕竟量子时代的未来已经到来，超强量子计算值得期待。

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