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量子芯片 一个日益火热的概念

说到量子，可能很多朋友还有些许陌生。不过关心芯片科技的朋友都知道，现在传统计算机发展中逐渐遭遇功耗墙、通信墙等一系列问题。以往一直在芯片替代速度上战无不胜的摩尔定律逐渐失效，因为随着芯片速度的发展，芯片功耗和通信已经成为限制芯片发展的瓶颈。

我们以CPU发展为例，AMD的最新32核处理器TDP功耗达到了250W。Intel的28核处理器则要300W，据说需要一台功率超过1000W的电源才能带动，显然这样的功耗会让人无法承受（图1）。

另一方面，随着CPU性能的提升，它所需的通信带宽也呈现成倍的增长。比如上述28核处理器支持双路/四路/八路扩展，每路三条UPI总线（速度达到10.4/9.6GTs）。对于整机性能来说要实现CPU火力全开，这就得需要内存、显卡、硬盘等同样具备高速的通信性能。这些硬件通信速度已经达到极限，因此传统的芯片亟需一种更新的技术来进行替代。

为了解决功耗墙、通信墙等系列问题，现在芯片厂商使用“量子芯片”技术来实现更新换代。量子计算的基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元，通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。量子计算机具有超高的计算能力和极低的功耗，比如超级计算机神威·太湖之光，运算速度是每秒9.3亿亿次；而一台50量子比特的运算速度将达到每秒1125亿亿次，瞬间秒杀世界最强超级计算机（图2）。

个小能量大 自旋量子位芯片

正是看到量子计算超强的计算能力，目前英特尔研究人员正在开发的新型“自旋量子位”芯片，就是英特尔量子计算机向前迈进的标志。

首先这种芯片的量子比特非常小，大约50nm（1500个量子比特约与人的一根头发直径相当），这意味着英特尔未来的量子计算机芯片可能会包含数千甚至上百万的量子比特。现在仅仅一台50量子比特的运算速度将达到每秒1125亿亿次，瞬间秒杀世界最强超级计算机，可以想象如果量子比特呈几何倍级的增加时，它们的计算能力有多么恐怖（图3）。

其次这种自旋量子芯片不包含晶体管，但是可以容纳单个电子的量子位。这些单电子的行为可以同时处于多个自旋态，比现在的晶体管具有更强的计算能力。比如英特尔最新的3-8121U处理器，其每平方毫米的晶体管数量高达1亿个，但是自旋量子芯片不包含晶体管，这样在同样的范围内，新型的处理器就可以容纳更多数量的量子，从而大幅提高处理器的计算能力，同时又不会占用更多的封装体积（图4）

另外一方面，量子并行计算特性可以使高速计算能力进一步加强。在传统计算机里，存储的信息单位是比特（bit），比特使用二进制，也就是说一个比特表示的不是“0”就是“1”。在量子计算机里，它的信息单位是量子比特（qubit），量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，甚至还可以是“1”和“0”的叠加状，即同时等于“0”和“1”。在理论上，2个量子比特的量子计算机每一步可以做到2的2次方，也就是4次运算，所以说，50量子比特的运算速度（2的50次方=1125亿亿次）。这样通过并行运算，可以让量子计算机拥有超高的计算能力（图5）。

量子芯片 给我们的生活带来更多惬意

通过上面的介绍，我们知道量子计算机可以实现超高的计算能力，同时不可复制，这些特性可以为我们的生活带来很多便利。

比如在日益发达的网络活动中，如何更好地保护用户的隐私是安全厂商一直在努力的方向。因为量子不可克隆的原理，用户所在网络上关于搜索、支付等的私密信息任何人都不会得到保存备份。也就是说如果量子计算机普及后，用户的搜索、在线支付、语音通信等均可以实现搜后即删、输后即消的完美体验，有效保护我们的隐私信息不会被泄露。

当然借助量子计算超高的计算能力，在需要复杂计算的领域，比如天气预报、新药研发、基因测序等领域，量子计算都可以发挥极大的作用。在不久的未来，也许我们出门前就可以精确查到半小时，甚至几分钟后准确的天气状况。而新药研发速度加快，则可以为每个人的健康带来更多的呵护。

正是看到量子计算的超强能力，现在各大IT巨头也在发展自己的量子计算技术，比如百度宣布成立量子计算研究所，开展量子计算软件和信息技术应用业务研究；阿里云成立了「中国科学院 - 阿里巴巴量子计算实验室」，开展量子计算的研究；腾讯SNG也于2017年12月宣布成立量子实验室；IBM已经通过IBM Q体验网站上线了5量子比特和16量子比特的系统，以供公众访问（图6）。我们期待量子技术早日造福人类生活！