日本IT巨頭半導體量子晶元即將量產，英特爾緊隨其後

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不久前，業界都還認為半導體量子技術離我們很遠，甚至 D-Wave 的 CEO Vern Brownell 也曾在接受 DT 君的專訪時表示，要實現半導體量子計算的商業化至少要 10 年以上，但隨著日本 IT 巨頭富士通的數字退火量子（Digital Annealer）計算晶元即將量產，以及英特爾在硅自旋量子比特（silicon spin qubit）技術的突破，同時中國也展示了半導體量子計算的發展，量子計算或許可能提早通過半導體工藝走進尋常百姓家。

顯而易見，量子計算之所以重要，是因為其具備快速解決過去很難利用傳統計算架構解決的「人類規模」問題的能力，比如說找出癌症的解方，更好的針對個人化的醫療方法，不僅在能源領域、目前最流行的 AI 模擬，甚至揭開更多宇宙的秘密，都將扮演極為重要的角色。

而作為量子計算基礎的量子物理現象其實屬於普遍的自然界物理現象，會出現在許多不同的材料、化學或自然環境中，因此，其達成的方式也不只一種，就好比量子計算的研究範圍已經從超導量子前進到光量子，甚至基於數字退火技術的半導體量子亦已經量產，換言之，只要材料引發的現象能夠觀測出量子物理特徵，就有可能拿來計算。

只是經過將近 20 年的發展，以超導技術為核心的量子計算商用腳步在軟體生態成熟度不足，且量產難度極高的情況下，在實際應用層面上還有很大的限制，雖然我們從各家的量子比特規模來爭論量子霸權將由誰掌握，但實際上，量子計算的最大限制不是算力的不足，而是難以普及，使得生態發展難以有效往前進。

也因為目前量子計算的局限性，如果能夠通過既有的半導體生產技術，解決量子計算晶元的規模擴增與大批量生產問題，並擺脫超導量子計算所需要的龐大冷卻架構，那麼，量子計算或許可以比預期更早進入到一般計算應用中，並加速相關生態成熟，成為包含 PC、智能家居、汽車，甚至各種聯網設備的計算核心，並徹底改變人類的生活。

半導體量子計算：數字退火、硅自旋量子比特與量子點

目前，在半導體領域的量子技術方面進展方面，比較知名的有由富士通推出的數字量子退火（Digital Annealer）技術、由英特爾推出，基於硅半導體工藝的硅自旋量子比特（silicon spin qubit）技術、以及由我國中科院量子信息重點實驗室所提出的，基於量子點（quantum dot）技術的三量子點半導體比特。

• 數字量子退火技術

富士通與加拿大多倫多大學合作開發了數字退火器 (Digital Annealer)，作為需要精心控制低溫環境才能發揮作用的 D-Wave 量子退火計算架構替代品，富士通採用傳統的半導體技術，該技術可在室溫下工作，並可安裝在足夠小的電路板上，以便插入數據中心的機架中。

圖｜基於半導體工藝的數字退火量子處理器，目前已經應用在富士通的雲服務中。

數字退火器是 1 種專用晶元，採用非馮諾依曼架構，在解決組合優化問題時可最大限度地減少數據移動。它由 1024 個「位更新塊」(bit-updating blocks) 組成，帶有存儲權重和偏置的片上存儲器，用於執行「位翻轉」(bit flips) 的邏輯塊以及介面和控制電路。

數字退火器不是通過傳統的編程方式來利用其算力，而是以權重矩陣和偏置向量的形式上傳問題，以便將問題轉化為「能量全景圖」(energy landscape)，用物理模擬的現象來解題。為達到此目的，富士通與位於加拿大溫哥華的量子計算軟體領導者 1QB 信息技術公司合作，該公司既提供運行系統的軟體，也提供軟體開發工具包，供客戶編寫自己的能量全景圖。

東京工業大學物理學教授，同時也是全球第 1 篇提出量子退火理論論文的作者之一 Hidetoshi Nishimori，以比喻的方式解釋了這種操作：「在數字退火中，系統從一個狀態跳到另一個狀態，以尋求更好的解決方案，就像一個人在一個充滿山丘和山谷的複雜景觀中徘徊，尋找最低點。」

Nishimori 補充說，這種技術與傳統量子退火相反，系統以大規模並行的方式尋找最佳解決方案，同時考慮所有狀態。富士通也宣稱，其基於 CMOS 的數字退火器，雖僅具備 1024 量子比特，但性能表現已經能夠與 D-Wave 最新的 2000 量子比特的量子退火系統相提並論。

Nishimori 指出，富士通機器上的位塊之間的權重能夠以比 D-Wave 系統更高的精度表達問題，因為用量子比特來控制這種精度要困難得多，數字退火器在比特之間具有 16 位精度，相較之下，D-Wave 系統僅有 4 位精度。不過 Nishimori 也提到，D-Wave 的量子退火器從長遠來看將有超過數字退火器的潛力，因為它們具有超大量子平行度，足以彌補精度表現較弱的缺點。

與此同時，富士通表示，目前 1000 量子比特的方案已經用在自家雲伺服器上，而它的目標是 2019 年量產具有 8192 位量子比特的數字退火器，而長遠目標則是走向百萬等級的量子比特。

該公司於 5 月 15 日開始在日本提供雲服務。富士通還與多倫多大學合作研究數字退火機的應用，今年晚些時候富士通將開始銷售數字退火伺服器，塔型主機和晶元，用於企業內部自有量子計算的架設。該公司還計劃在今年年底之前在北美，歐洲和亞洲推出雲服務。富士通表示，到 2022 年，該服務的目標是收入 1000 億日元（約 9 億美元）。

• 硅自旋量子比特

英特爾與荷蘭量子計算公司 QuTech 合作在今年初推出基於硅晶元的可編程雙量子計算，採用的就是自旋量子單元。自旋量子單元的優點是不需要苛刻的環境條件，如極低溫。本質上自旋量子單元是受微波脈衝激活的電子。而基於硅自旋量子單元的獨特優勢，在於其乃是在電子層面操作，因此能夠與現有的計算工作平台緊密配合。

圖｜在硅晶元上上擁有雙量子比特的量子處理器。

其實硅自旋量子比特的概念很簡單，當在傳統的晶體管通過穩定的電流時。晶體管中的單個電子便可在 0 與 1 兩種狀態轉換。而以電子的旋轉為概念的話，也就是晶體管中的單個電子可以具有兩種狀態之一：往上旋轉或往下旋轉，而這正是量子比特的兩個狀態。因此，英特爾正在做的主要是通過其工藝創建一系列單電子晶體管，並使之產生量子態。

不過，目前英特爾還在為單一晶元上能夠集成更多量子比特而努力，目前他們最多只能做到每個切割出來的單一晶元維持 26 個量子比特，明顯與超導量子有段距離。然而，如果不以單一晶元計算，而是以整片晶圓來作為比較基準，那麼其硅自旋量子比特已經達到成千上萬之譜，量子比特密度不下於傳統超導量子。

圖|英特爾的硅量子晶元的試產品

當然，以晶圓來作為比較單位並不實際，英特爾也表示，該公司的超導量子技術已經成熟到可以集成到系統中了，但硅自旋量子還需要數年的時間發展。

不過，英特爾也提到，以處理器發展史為例，從第一個集成電路，到第一個擁有 25000 個晶體管的處理器 4004 現身，經過了 10 年的時間，其實進展相當快，而他們也很看到硅自旋量子未來的發展潛能，認為在 5 年內要發展到單晶元擁有超過 1000 個量子比特並不是困難的事情。

而長遠來看，如果能在單一半導體晶元上達到百萬個量子比特，並實現常溫量子的通用計算，那將是對整個數字產業，甚至是社會存在型態的徹底變革。

• 三量子點半導體比特

中科院量子信息重點實驗室在今年初推出的三量子點半導體比特是量子點的技術應用之一，是屬於諸多量子計算型態的固態計算方式，主要是通過 GaAs 或 AIGaAs 或類似材料來製作量子點，量子點指的是將電子與電洞局限在只有幾納米的極小物質中，因而產生可以控制的光、電、自旋等性質，通常這些性質與量子點的尺寸、形狀和材料有關。而光以量子點形式，就有光子、電子和原子等不同的自旋量子態可當作量子計算的基礎。

圖｜中科院量子信息重點實驗室在今年初推出的三量子點半導體比特邏輯門。

該實驗通過半導體納米加工工藝製備出非對稱耦合三量子點結構，再利用電子的原子殼層結構填充原理，化解多電子能級結構複雜性這一難題，構造了具有準平行能級的雜化量子比特。在保證比特相干時間的情況下，通過調節第三個量子點的電極電壓，清晰地觀察到比特能級在 2 至 15GHz 範圍內的連續可調。

不過這種技術雖屬半導體量子技術之一，但其半導體材料並非採用硅，所以與現有的半導體工藝還是有著相當大的不同。

半導體量子計算將填補傳統超導量子計算的缺點

基於超導電路的量子比特和基於量子阱的量子比特因為電路體積較大，實現相對容易，在可操控量子比特數目方面處於領先位置，目前 Google 也已經達到 72 個量子比特，英特爾和 IBM 也分別推出過 49 量子比特和 50 量子比特的量子計算架構。

然而，它們的大體積使得未來大數目量子比特的集成會面臨很大的問題，進而會影響到一些實際應用的量子演算法的實現。

雖然所有現有的超導量子計算方法可提供前所未有的計算能力，但該技術需要的設計與維持成本極高：為了實現超出傳統計算範圍的問題的正確輸出，超導量子計算需要保持接近絕對零度，並且通過各種遮蔽設計來避免磁干擾、熱雜訊和機械振動的影響，以使量子比特保持迭加狀態和量子糾纏，成為實現量子計算的基礎。

而因為量子比特的不穩定性，量子計算的精度也存在問題，一般而言保真度（fidelity）普遍不高，導致現有的量子計算架構必須花費許多的心力在於糾錯工作上，以確保對量子現象的觀測不會出現誤差。這也讓原本就已經臃腫的量子計算架構更為龐大。

這些傳統量子計算的問題即便在實驗室中已經突破 72 個量子比特的現在仍相當難以解決，而這也是微軟選擇要往基於拓樸架構的 Majorana particle（馬約拉納粒子）來作為量子計算的核心的原因，由於 Majorana particle 呈電中性，且很少與其他粒子相互作用，其狀態相對穩定許多，這使得要建造 1 個 1Qubit 的拓撲量子計算，只需要 1 個 Majorana particle，而不需要額外的糾錯設計，就理論上而言，會是個極具競爭力的量子計算架構。

然而，這種被稱為天使粒子的 Majorana particle 截至目前為止仍然只存在於理論當中，還沒真正被發現。

那要做出既小又容易規模化的量子計算架構是不可能的事情？非也，正如之前所述，目前富士通與英特爾都已經在相關領域有了突破性的發展。中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在半導體量子計算晶元研究方面則是通過量子點技術推動量子計算的半導體化路線。

富士通將半導體量子計算帶入商業化，但其他技術還要一段時間

由於基於物理模擬的數字退火技術在理論上更為成熟，且在應用上也更偏重於特定計算，而非通用，所以商用化的腳步也如老大哥 D-Wave 的量子退火般走的最快，但其缺點在於整個計算體系與目前的計算架構並不兼容，在生態經營上的難度較高。

而英特爾則是打算要將硅自旋量子打入一般日常計算環境中，作為取代傳統計算架構的強力武器，因此通用是無法被捨棄的一點。但也因為如此，其真正走入商用化恐怕還要好幾年的時間。

撇除目前量子霸權的爭議，傳統超導量子計算已經先後步入商用化，而基於半導體工藝的量子計算也超越市場的期待，開始在技術研發上嶄露頭角，雖然除了最老牌的退火技術以外，其他瞄準通用量子計算的商用時程都可能還要數年之久。

即便如此，這些技術的進展揭示了我們日常使用的計算架構都有可能走向量子計算的可能未來，雖然目前還很難想像，但可以肯定的是，通過量子計算帶來的龐大算力，屆時我們身處的世界將與現在有著極大的不同。

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