谷歌發表量子芯片WILLOW之後,股價創出新高,市場高叫要谷歌進入3萬億(美元)俱樂部。此時此刻,除了趁勢追貨,都要稍為理解一下何謂量子芯片。
首先,「量子」用作描述了微觀粒子(如電子、光子等)的某些物理量只能以特定的、不連續的量值存在。這些不連續的量值被稱為「量子」。例如,原子中的電子只能處於特定的能級,不能處於兩個能級之間。而微觀粒子既表現出波動性,也表現出粒子性。例如,光既可以表現為光波,也可以表現為光子。另外,微觀粒子可以同時處於多個狀態的疊加,直到被觀測時才坍縮到一個特定的狀態。
至於量子糾纏,則是描述兩個或多個粒子在量子態上形成的特殊關聯。在這種關聯下,糾纏粒子的量子態無法獨立存在,只能以整體來描述。首先量子糾纏粒子在空間上可以相隔很遠,但它們之間的關聯仍能瞬間傳遞,即對一個糾纏粒子的測量會瞬間影響到另一個糾纏粒子的狀態。
量子糾纏現象對量子計算和量子通信等領域有著重要的應用,量子糾纏展示了粒子間似乎能夠超光速影響彼此。量子在芯片領域的應用包括量子比特(Qubits)代替傳統電腦中的二進位比特,能夠進行平行計算,解決傳統電腦難以處理的問題。例如,谷歌的Willow量子晶片擁有105個量子比特,暫時至今在量子糾錯和隨機電路採樣兩項基準測試中表現出同類最佳性能。
至於量子比特(Qubit)在技術上如何實現?技術路徑包括:
利用超導電路中由兩個超導體通過一層薄膜絕緣體隔開,來實現量子態的疊加和糾纏;通過電磁場將帶電離子陷阱在空間中,利用鐳射脈衝操控離子的內部能級實現量子比特操作;基於拓撲量子態,如馬約拉納費米子實現量子比特,並利用拓撲保護機制提高量子態的穩定性和抗雜訊能力;利用光子的量子態作為量子比特,通過光學器件實現量子門操作和量子通信。
量子芯片的製造是一個跨學科的領域,涉及到量子物理、材料科學、電子工程和納米技術等多個領域,其製造過程需要極高的精度和對量子行為的深刻理解。
毫無疑問,量子芯片將來的發展只會比今日更為成熟,也必然是全球科技企業及大國爭相進入的發展領域,與人工智能相匹配,量子芯片將成為加速人工智能發展的巨大推動力。至於量子計算,由谷歌WILLOW芯片所展示出的超級算力,5分鐘之內完成比宇宙壽命還要長的複雜計算,更令舉世震動,驚呼為科技「奇點」。
另一方面,量子計算在密碼學中具有重要作用,可以破解現有的加密演算法,對資訊安全領域產生重大影響。最近,比特幣價格受到衝擊,一方面受到美聯儲表示不會以比特幣作為儲備,另一方面也可能受到比特幣將來可能受到量子電腦所破解而引起市場擔憂。