2024年計算機行業(yè)深度研究：一文讀懂量子計算原理

2024年計算機行業(yè)深度研究：一文讀懂量子計算原理何為量子計算？基本原理是什么？為什么需要量子計算機？傳統(tǒng)電能計算機能力依舊有限。隨著計算機發(fā)展，高速計算得以實現(xiàn)，反之，待以解決的問題也變得越來越復(fù)雜、繁瑣。我們認為對于復(fù)雜的三維物體或具有量子力學(xué)行為的物質(zhì)，對于當(dāng)前仿真計算技術(shù)仍有較大挑戰(zhàn)。不可否認，有時候在計算方面，計算機仍力有未逮。近年來備受關(guān)注的區(qū)塊鏈技術(shù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)，均致力于減少求解問題所花費的時間。經(jīng)典計算機的掣肘在哪？經(jīng)典計算基于比特和字節(jié)，擁有多重排列模式。經(jīng)典計算的基本單位是比特，它可以處于兩種二元狀態(tài)之一：off或on，在經(jīng)典計算中通常被描繪為0或1。連續(xù)的8比特成為1字節(jié)，其可以儲存更多數(shù)據(jù)，同時根據(jù)不同比特狀態(tài)排列組合，1字節(jié)可擁有256種完整組合，而這些組合也足以使用ASCII系統(tǒng)對拉丁字母表中的每個字符進行編碼。一種更現(xiàn)代的編碼稱為“Unicode”，使用最多四個字節(jié)的組，足以涵蓋從表情符號到泰米爾字符和許多其他基于字符的語言的所有內(nèi)容，而其超過100萬個可用組合中的一小部分而已。比特解決計算問題的方式可理解為迷宮游戲。假設(shè)比特字節(jié)計算方式為一個迷宮，其目標(biāo)是使用最短的路徑到達迷宮中心。使用經(jīng)典計算機，沿途的每個交叉點都變成與一位相對應(yīng)的二元決策，其中1/0位表示在迷宮“轉(zhuǎn)彎處”的決策。通過此種方式，可將每個比特位的組合視為穿過迷宮的一組方向。但每一次的比特字節(jié)組合并非是正確的，一些路徑會重疊，而另一些路徑可能會遇到死胡同，但通過嘗試每種組合，最終可以找到到達中心的最短路徑。然而單字節(jié)就擁有256種組合，為了檢查準(zhǔn)確性，經(jīng)典計算機必須研究每種可能的輪組合，并且一次只能檢查一個組合。經(jīng)典計算核心問題在于多項式時間內(nèi)無法求解可解問題就是相對于輸入?yún)?shù)的數(shù)量，需要計算的次數(shù)沒有急劇增多的問題。以“從輸入的一組數(shù)字中找出最大的數(shù)字”問題為例，在輸入了6個數(shù)字的情況下，程序逐一對比大小后，大約計算6次可得到解；在輸入了10個數(shù)字的情況下，程序大約需要計算10次；在輸入了100個數(shù)字的情況下，程序大約需要計算100次。即對于“求最大值”這類問題，若輸入了N個數(shù)字，程序大約需要計算N次。由果溯因反向推理問題求解難度較大，且擁有多種組合，“不可解問題”出現(xiàn)概率較大。對于“從輸入的一組數(shù)字中，找出乘積最接近40的數(shù)字組合”問題，常規(guī)解法是列出所有輸入數(shù)字組合，逐一計算各種組合的乘積，再從中找出乘積最接近40的組合。如輸入了6個數(shù)字，則有26=64種組合；當(dāng)輸入10個數(shù)字時，需要進行210=1024次乘法運算；當(dāng)輸入20個數(shù)字時，需要進行210=1048576次乘法運算；當(dāng)輸入30個數(shù)字時，需要進行230=1073741824次乘法運算，運算的次數(shù)程指數(shù)式增加。為什么量子計算可以解決上述問題？量子計算機和經(jīng)典計算機最大的不同點在于二者使用的最小信息單位不同。不同于只擁有0/1態(tài)的經(jīng)典比特，量子計算機使用的最小信息單位是量子比特。雖然量子比特也可以和經(jīng)典比特一樣使用0和1這兩種狀態(tài)來表示信息，但除此以外，量子比特還可以處于0和1的“疊加態(tài)”這一特殊狀態(tài)。量子比特的狀態(tài)可假設(shè)為球體，量子0/1疊加態(tài)可表征為球面任意一點。量子球體分別以0和1表示上下頂點（南北兩極），該球體稱為布洛赫球，常用于表示量子比特的狀態(tài)。布洛赫球球面上的點表示量子比特的狀態(tài)。箭頭指向正上方（相當(dāng)于地球的北極）時狀態(tài)為0，指向正下方（相當(dāng)于地球的南極）時狀態(tài)為1，指向球面上其他點時狀態(tài)為0和1的疊加態(tài)。類似于地球經(jīng)緯度，布洛赫球面點常以振幅+相位物理量定坐標(biāo)。量子比特一經(jīng)測量，就會通過概率來決定到底是處于狀態(tài)0還是狀態(tài)1。二者的概率均取決于測量前指向布洛赫球球面上某一點的箭頭在貫穿0和1兩點的軸上的投影。箭頭的投影越接近0，出現(xiàn)0的概率就越大；越接近1，出現(xiàn)1的概率就越大。經(jīng)過測量后，我們就可以從量子比特中讀取非0即1的經(jīng)典比特信息。量子比特的狀態(tài)此時也會變?yōu)榕c測量結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)0或狀態(tài)1。如何獲取量子比特？量子比特實現(xiàn)方式經(jīng)典計算機是通過電子電路運轉(zhuǎn)起來的。使用硅制半導(dǎo)體制成的名為晶體管的小元件發(fā)揮了開關(guān)的作用，將其與金屬布線組合起來即可實現(xiàn)邏輯門，再將邏輯門集成起來就能制造出經(jīng)典計算機。量子計算機的制造過程則要復(fù)雜許多，因為量子計算機既需要量子比特，又需要執(zhí)行量子操作。量子比特所具備的波動性（概率振幅和相位）。量子比特的波動性來源于量子力學(xué)的性質(zhì)。因此，必須使用量子力學(xué)的現(xiàn)象來制備量子比特，不能通過其他方法對其進行仿造。退一步說，即使使用量子力學(xué)現(xiàn)象以外的方法仿造出了量子比特，也無法利用它進行高效的量子計算，自然也就制造不出真正的量子計算機。以光量子為例，詳解量子獲取方式光量子技術(shù)獲取量子比特可在室溫下進行。該方式有望通過與名為硅光子學(xué)（siliconphotonics）的光波導(dǎo)（opticalwaveguide）芯片制造技術(shù)和光纖等光通信技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)量子計算機。量子力學(xué)中，光既是波又是粒子。光子本身就是微弱的光，使用光子的量子計算機既可以在室溫下運行，又與光纖通信具有良好的兼容性。通過壓縮光能實現(xiàn)量子比特。與普通的激光（相干光）相比，壓縮光能夠改變電場的漲落并維持特殊的光子數(shù)分布，可以說是一種使量子性得到增強的光的狀態(tài)。壓縮光可由入射在特殊晶體上的激光產(chǎn)生。不同于前面介紹過的線性光學(xué)法和使用共振器QED的方法，利用壓縮光可以執(zhí)行連續(xù)變量量子計算。詳解量子計算產(chǎn)業(yè)鏈量子計算軟硬件體系已經(jīng)初具雛形量子計算產(chǎn)業(yè)上游主要包含環(huán)境支撐系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、各類關(guān)鍵設(shè)備組件以及元器件等，是研制量子計算原型機的必要保障，目前由于技術(shù)路線未收斂、硬件研制個性化需求多等原因，上游供應(yīng)鏈存在碎片化問題，逐一突破攻關(guān)存在難度，一定程度上限制了上游企業(yè)的發(fā)展。量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)中游主要涉及量子計算原型機和軟件，其中原型機是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的核心部分，目前超導(dǎo)、離子阱、光量子、硅半導(dǎo)體和中性原子等技術(shù)路線發(fā)展較快，其中超導(dǎo)路線備受青睞，離子阱、光量子和中性原子路線獲得較多初創(chuàng)企業(yè)關(guān)注，美國原型機研制與軟件研發(fā)占據(jù)一定優(yōu)勢。量子計算產(chǎn)業(yè)下游主要涵蓋量子計算云平臺以及行業(yè)應(yīng)用，處在早期發(fā)展階段，近年來全球已有數(shù)十家公司和研究機構(gòu)推出了不同類型的量子計算云平臺積極爭奪產(chǎn)業(yè)生態(tài)地位，目前量子計算領(lǐng)域應(yīng)用探索已在金融、化工、人工智能、醫(yī)藥、汽車、能源等領(lǐng)域廣泛開展，國外量子計算云平臺的優(yōu)勢體現(xiàn)在后端硬件性能、軟硬件協(xié)同程度、商業(yè)服務(wù)模式等方面。上游：量子芯片和稀釋制冷機是核心環(huán)境量子芯片作為量子計算機最核心的部分，是執(zhí)行量子計算和量子信息處理的硬件裝置。從材料來看，傳統(tǒng)芯片的核心材料主要是硅。硅也是量子芯片常用材料之一，在硅材料純度上，相較于經(jīng)典芯片而言，量子芯片的要求更高。從工藝來看，量子芯片的制造工藝則更為復(fù)雜，特別是在處理超導(dǎo)材料或特殊半導(dǎo)體材料時，需要更高的工藝精度和更嚴格的環(huán)境控制。不過，超導(dǎo)量子比特受材料缺陷的影響較小，利用成熟的納米加工技術(shù)，可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。英特爾在2023年6月發(fā)布了全新的量子芯片TunnelFalls，這款芯片包含了12個硅自旋量子比特，在300毫米的硅晶圓上生產(chǎn)制造，每塊晶圓上能夠?qū)崿F(xiàn)超過24000個量子點，從而形成可被相互隔離或同時操控的4到12個量子比特。稀釋制冷機是構(gòu)建超導(dǎo)量子計算機的關(guān)鍵核心設(shè)備。其可為超導(dǎo)量子計算芯片提供接近絕對零度的超低溫環(huán)境，2023年下半年，科大國盾量子向兩家科研單位交付了國產(chǎn)稀釋制冷機產(chǎn)品。量子計算有望賦能千行百業(yè)量子計算有望開啟8000億美元藍海市場2023年全球量子計算市場規(guī)模約47億美元，預(yù)計2035年有望超過8000億美元。據(jù)ICV，隨著量子計算技術(shù)的不斷演進，以及AI技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，量子計算的應(yīng)用邊界被不斷拓展，2023年，全球量子產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到47億美元，2023至2028年的年平均增長率（CAGR）達到44.8%；2027年專用量子計算機