其他
量子计算如何重塑芯片开发？
量子计算和半导体具有共生关系，将在芯片设计的未来中相互促进。
从 20 世纪笨重的晶体管到今天纳米级的奇迹，半导体领域一直是人类智慧的见证：这些令人难以置信的工程技术不断重塑着电子领域，使设备变得更小、更快、更节能。
除了材料和创新应用方面的突破，该行业现在正处于另一个革命性阶段的前沿：量子计算(QC)尽管仍处于萌芽阶段，但已成为最新的突破性挑战。量子计算有望带来变革性的转变，特别是在半导体设计、制造和开拓性应用方面。
要理解量子计算，就必须从根本上了解它与经典计算的不同之处。传统系统以二进制形式存储和处理数据，将每个比特严格解释为0或1。与二进制比特不同，量子比特利用量子力学原理，具有同时以0和1的叠加状态存在的独特能力。
——这种模式被称为量子并行，可以放大计算能力。理论上，量子计算机可以利用多方面的数据处理并行执行数百万次操作，这是经典计算机所无法比拟的。
QC的概念可追溯到20世纪80年代，当时人们首次提出QC有可能增强微型量子系统的计算建模。20世纪90年代，科学界掀起了一股热潮，开创性的算法和方案相继问世。
Shor算法因其有望显著加快特定密码分析和挑战保护全球通信和数据存储的密码系统而备受瞩目，但它并不是唯一的算法。Grover算法是另一个开创性的提案，它暗示了一种量子解决方案，能以经典算法无法达到的速度进行数据库搜索。这些创新算法象征着量子通信的巨大潜力，并引发了科学界的广泛兴趣。
2017年起，QC的叙事开始从理论基础转向实际表现。含噪声的中等规模量子计算机(NISQ)的出现预示着这一变化：这些配备了数十个量子比特的机器代表了重大进展。
然而，它们也有其局限性：错误率太高、无法纠正。与这些发展并行的是量子退火领域。这种方法起源于十年前，利用的是相干持续时间较短的量子比特，但却表现出令人印象深刻的可扩展性，目前，已经实现了约2000个量子比特的实验性量子退火。
现在，QC进化时间表正在加速。近年来，量子化学以惊人的速度取得了里程碑式的成就，业界中坚力量对量子化学的商业可行性充满信心。虽然距离全面商业应用可能还有几年时间，但进步的轨迹是不可否认的。虽然量子化学的前景令人振奋，但从实验室过渡到广泛应用也面临着挑战：
1）量子比特对噪声的固有敏感性
挑战的本质：在经典计算中，二进制系统可以有效过滤掉微小的噪声差异。然而，由于量子比特可能同时表示0和1，因此量子化学面临着更高的数据损坏脆弱性。这也导致在药物发现或气候建模等应用中，由噪声引起的轻微错误可能导致不正确的分子结构或偏差的气候预测。
2）量子纠错(QEC)
量子比特本身就容易出错，因此QEC不可或缺。量子纠错与经典纠错有着本质区别，这主要是由于量子比特具有概率性质。
QEC算法旨在模拟无噪声量子计算机，但会带来巨大的开销。要构建一个稳定的逻辑量子比特，可能需要许多物理量子比特。这就成倍增加了所需的复杂性和资源，意味着早期的量子计算机可能不会无差错。
3）退相干
量子比特稍纵即逝的稳定性或称退相干性，指的是它们迅速失去量子性质的倾向。这种特性带来了巨大的挑战，因为失去相干性的量子比特无法实现量子行为。
现实中，退相干会破坏纠错、系统优化和扩展工作。在实际应用中，处理金融模拟的量子计算机可能会产生错误的风险评估。
4）数据处理和调试
量子计算机可以使用较少的量子比特来表示大量数据，但将经典数据转换为量子态需要耗费大量资源。此外，量子算法依赖于干扰和纠缠等独特现象。
在我们设想物流优化或人工智能增强等现实应用时，数据转换所花费的时间可能会抵消量子速度优势。此外，缺乏成熟的量子软件栈和传统调试方法的不可行性可能会阻碍量子算法的开发和部署。
尽管存在挑战，但人们对量子计算机变革能力的期待是毋庸置疑的：量子计算机计算能力的提升仍为众多应用带来了无限遐想：量子计算机具有处理各种任务的潜力，包括金融风险计算、分子科学、智能交通管理、疫苗发现和天气预报；此外，它还可与 5G、人工智能(AI)和物联网(IoT)等技术协同发展。
“量子霸权”是人们梦寐以求的里程碑。其特点是量子计算机有能力执行经典计算机无法想象的任务。
值得注意的是，谷歌的研究人员已经取得了长足的进步，这对于克服一些挑战可能非常重要。今年7月，他们公布了一个拥有70个工作量子比特、以24个周期运行的系统。利用复杂的随机电路采样合成基准，他们优化了关键操作的速度，可能解决了前面提到的对外部噪声敏感的问题。为了强调这一突破的重要性，目前的超级计算机需要47年才能计算出谷歌量子系统所处理的相同数字。
金融界对量子计算的信心与日俱增，为这一飞速发展提供了支持。2021年，专注于量子技术的初创企业获得的资金比前一年翻了一番多，达到14亿美元；此外，麦肯锡公司预测，到2035年，量子通信市场规模将达到7000亿美元，到204 年，每年可能超过900亿美元。
量子计算与半导体发展是一种共生关系。未来充满潜力。想象一下，在这个世界上，药物发现的速度会更快、人工智能也会超越当前的能力，这将是未来革命的一个缩影。然而，在憧憬未来的同时，我们也面临着巨大的技术障碍，其中最迫切的问题就是寻求数量空前的耐用纠错量子比特。
随着量子领域日益接近“至高无上”的地位，半导体行业正站在一个变革的十字路口。它不仅仅是一个旁观者或推动者，而是塑造量子纠错未来的推动者。量子计算的进步必然会促进半导体技术的创新，反之亦然。从制造商到研究人员，所有利益相关者都应明确：准备迎接量子革命，它将重塑计算和半导体创新。
参考链接：[1]https://www.mckinsey.com/featured-insights/themes/how-quantum-computing-could-change-the-world[2]https://www.sciencealert.com/google-quantum-computer-is-47-years-faster-than-1-supercomputer[3]https://electronics360.globalspec.com/article/20083/how-quantum-computing-will-revolutionize-chip-development
相关阅读：用于量子通信和互联网的光量子芯片 | 综述荐读
英特尔最先进的量子芯片，长什么样？
Nat. Photonics：在光子芯片上实现了可扩展的量子模拟！
英伟达2023 | 量子、AI、芯片......未来已来！
西方制裁再度升级，「量子芯片」弯道超车！
#光子盒视频号开通啦！你要的，这里全都有#
每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！
|qu|cryovac>你可能会错过：|qu|cryovac>