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浅谈量子运算技术现况与未来发展前景

2022-08-11 12:49:28 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
量子技术领域的研发仍然相当活跃,也将会持续如此,因为该技术在未来具备显著的战略意义...

量子运算可望对众多领域带来剧烈影响,从网络安全到金融,从供应链到制药,从国防到天气预测…而量子位(qubits)面临的挑战是让它们能越来越稳定,以优化其性能。YbTednc

具备超过1,000个量子位的平台可望在接下来几年问世,包括IBM、Amazon、Microsoft等公司都在逐渐增加相关投资力道;厂商之间的竞争在于几个方面:量子位数量、可用端口的类型、量子位之间的链接,还有错误率与运作温度。YbTednc

“大自然是由微小的粒子构成,包括原子、电子甚至更小的次原子(subatomic)粒子;”总部位于以色列的一家量子算法开发平台软件业者Classiq执行长暨共同创办人Nir Minerbi表示:“这些粒子之间的互动与我们日常生活周遭看到的物体完全不同,量子技术就是仰赖这些微小粒子独特、或者说有点奇怪的物理特性。”YbTednc

根据Minerbi的说法,对量子运算有直接影响的量子理论关键原理,包括迭加(superposition,粒子同时处于不同状态的能力)、纠缠(entanglement,粒子之间即使距离很远仍能相互关联的能力),以及干涉(interference,粒子相互放大或抵消的能力)。YbTednc

研究机构Yole Group旗下的Yole Intelligence市场研究总监Eric Mounier表示,量子技术领域的研发仍然相当活跃,也将会持续如此,因为该技术在未来具备显著的战略意义。YbTednc

“举例来说,加拿大业者Xanadu在6月份发表相关技术演进,展示了216个压缩态(squeezed-state)量子位,并可透过Xanadu自家的云端平台以及Amazon Braket云端服务为大众提供其运算能力;”Mounier指出:“还有中国在2020年展示利用光子计算机的量子技术进展,Google则在2019年宣布首次实现量子技术进展。”YbTednc

他补充,除了美国、印度(曾发表一个10亿美元规模计划)、日本与中国非常积极开发量子技术,欧洲的相关研发也很强,像是荷兰的台夫特理工大学(Delft University),法国研究机构CEA-Leti,都在开发可兼容CMOS制程的量子技术。YbTednc

“商用量子计算机已经问世,”Minerbi表示:“该类计算机以量子位与量子逻辑闸(quantum gates)组成。有不同的技术被用来打造量子位,因此也有不同种类的量子位,像是超导量子位、捕获离子(trapped ion)量子位、光子量子位等等。有很多研究投入在改善量子位与量子逻辑闸的质量,以及利用量子特性的软件算法,还有打造大规模量子计算机的方法。”YbTednc

Mounier则指出,量子技术的最大挑战在于降低“退相干”(decoherence)现象导致的错误率;所谓的退相干是量子系统与外部世界耦合导致的误差;“随着量子位数量增加,退相干现象也会增加,这是量子计算机错误的主要来源。”YbTednc

他表示:“必须拥有足够的实体量子位──至少要50个──才能让量子运算能超越当前传统计算机的实际限制;但很多专家相信,量子计算机会需要拥有至少100万个量子位,才能真正拥有商用价值。”YbTednc

“量子计算机很容易受到外部环境以及制造过程瑕疵的影响,”Minerbi表示,“因此它们在能够于数值败坏之前保存多长时间这个方面是有限制的。业者在改善这种特性的同时,也正开发错误纠正的机制,好在错误发生时能侦测到并予以校正。”YbTednc

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量子运算的各种潜力应用。(来源:Yole)YbTednc

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Mounier列出了商用量子计算机面临的另外三个挑战:YbTednc

实施表面码(surface code)错误纠正,以侦测并校正个别量子位的脆弱量子态。YbTednc

开发中立(agnostic)软件。YbTednc

开发新的电子硬件(也需要是低温硬件)以控制个别量子位并读取结果。YbTednc

在软硬件系统堆栈方面,Mounier表示,量子计算机需要与传统计算机完全不同的软件,目前有两条不同的发展路线:YbTednc

有一些大公司在开发量子计算机的同时也开发自有软件语言。YbTednc

有一些新公司正在研发中立于各种量子技术的软件,能应用于像是Google或IBM等不同业者的不同量子平台。YbTednc

但他也指出:“无论如何,缺乏标准化量子软件可能延迟量子运算的采用,就像是过去FPGA遇到的问题。”YbTednc

令人期待的量子技术发展

Mounier表示,光子技术在量子运算上的应用令人期待,也是目前一个很活跃的研发领域。利用以CMOS技术制造的硅光子组件,能缩小光学电路规模,此外因为光子能在室温下运作,也提供了在处理方面的优势,可以利用硅芯片技术进行设计与制造硅光子芯片。YbTednc

“光子与硅光子能被用来操控离子以实现量子运算;”Mounier表示:“有数个进行中的研究项目,是利用以雷射操控的离子量子位来实现量子运算。举例来说,美国业者IonQ与杜克大学量子中心(Duke Quantum Center),已经实现了利用32个离子的量子运算。为了缩减量子计算机的尺寸,可能会利用整合于单芯片的雷射以及光子组件。”YbTednc

“美国麻省理工学院林肯实验室(MIT Lincoln Laboratory)进行了这类实验,展示利用硅光子操控个别离子;”他进一步指出:“IonQ计划在2023年使用硅光子支持离子位量子运算,所以很多公司都在利用光子量子位,包括QuiX (荷兰)、Xanadu与PsiQuantum (美国)。”YbTednc

“PsiQuantum与GlobalFoundries宣布结盟,打造全球第一家完整规格的商用量子计算机;两家公司现在正在制造硅光子与电子芯片,将作为该Q1系统的基础。那会是PsiQuantum的技术蓝图中的第一个系统里程碑,将提供拥有100万个量子位的商用量子计算机。”YbTednc

电动交通与能源应用

量子计算机在电动交通(e-mobility)与能源领域也有许多应用,“其中一个有趣的应用是固态电池的开发;”Mounier表示:“不过因为有众多不同的方法,固态电池的开发力道仍然被削弱。”YbTednc

Minerbi则指出,目前量子计算机有两个主要应用方向:优化与材料科学;“以量子驱动的优化将有助于设计更好的能源分配网络、优化的交通(因此能节省能源),以及优化供应链。而量子驱动的材料科学,则能催生更好的EV电池──更轻而且容量更大──并协助降低像是哈伯法(Haber-Bosch)等化学制程中的能源消耗。”YbTednc

在此同时,德国车厂BMW集团以及法国业者Pasqal已经扩展其合作,将进一步利用量子运算改善车辆的设计与制造;双方的下一个阶段合作计划,目标是让BMW能透过加速的软件仿真工具,设计出更安全、更轻量,能源效率更高的车辆。YbTednc

高精准度的运算仿真软件能让BMW取代成本高昂的实体打造-测试-改善(physical build-test-improve cycles)周期,因为目前的经典运算方法无法以所需精准度来因应整车模拟。这类的模拟终究将协助BMW打造更轻量化的零件,让车辆的能源效率更高。YbTednc

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量子计算机技术发展蓝图。(来源:Yole)YbTednc

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量子运算未来愿景

我们将会首先看到在量子计算机上执行的软件仿真,接着是情境(scenario)优化以及机器学习的相关应用;不过,情境预测会更加困难,预期要在20到30年之后才会被采用。YbTednc

“在具体应用方面,目前制药是量子运算最受关注的;”Mounier表示:“不过在量子被广泛应用于医疗与制药应用还需要许多年的时间,也许是20至30年。在量子运算可在5到10年内准备好应用于药物开发,只要届时已有经确认的候选药物;而若要探索新药物,则需要10到20年以上的时间。”YbTednc

他并指出,在制药业采用量子运算之后,在10年之后会跟着采用该技术的应用包括能源、化学、交通运输,以及金融/财务等。YbTednc

“量子运算将会成为任何一种严谨的运算架构之中央支柱,”Minerbi表示:“就像是CPU与GPU,量子处理器单元(QPU)将会成为所有数据中心的关键零组件。那些QPU加上CPU与GPU,能解决传统计算机无法解决的问题,带来庞大的社会效益。”YbTednc

网络与量子运算之间的关系

能执行Shor算法的量子处理器之问世,将让像是RSA、ECC非对称算法,以及所有以整数分解(integer-factoring)数学题、离散对数(discrete logarithms)以及椭圆曲线离散对数为基础的加密算法完全变得不安全。YbTednc

“后量子密码学(post-quantum cryptography)──有时被叫做抗量子(quantum-proof、quantum-safe或quantum-resistant)加密算法,通常是公钥算法,被认为可以安全抵御量子计算机的攻击;”Mounier表示:“这可以被视为网络安全技术,后量子加密技术市场将会成长,我们估计转折点会是在2028到2030年之后,取决于到时候市面上可用的量子计算机讯息。”YbTednc

“量子技术与网络安全技术将会有数个交叉点,”Minerbi则表示:“量子现象可被用于安全地分配加密密钥或者提供不会被骇的通信链接。强大的量子计算机能破解RSA加密或者其他经典加密方法,而量子运算也有助于透过侦测新弱点,来保障现有的网络与软件。”YbTednc

目前日常网络浏览使用的公-私钥算法,几乎都是仰赖Shor算法,这也让它们变得不安全。因此,需要在所谓的后量子阶段开发新的算法,也就是定义并打造在量子计算机问世之后仍然能保持安全的加密算法。研究人员正在提出采用不同方法并以不同数学题为基础的数种后量子加密算法,这也意味着将消耗大量网络资源。YbTednc

结语

量子计算机有一个特性,是其运算力等级将会跟着每一个量子位的增加而成指数级提升,而传统计算机的运算力规模则是随着位数的增加呈线性成长。根据Minerbi的说法,因此量子计算机可以解决传统计算机无法也从未能解决的问题;这不只是与指令周期有关,而是能不能解决特定类型的问题。YbTednc

“许多历史悠久的大企业组织正在努力打造具备数以万计、甚至百万计量子位的量子计算机,不过今日最大规模的量子计算机,仅拥有约100个量子位;”Minerbi指出:“那些更大型的计算机将能解决一系列的新问题,并实现错误纠正,协助克服今日计算机的一些问题。”YbTednc

本文同步刊登于《电子工程专辑》杂志20228月号;编译:Judith ChengYbTednc

责编:Demi
Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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