【芯观点】耶鲁大学教授详解：量子计算会成为变革IC产业的重要力量吗？( 二 ) ：【芯观点】耶鲁大学教授详

他进一步解释，事实上，量子位元能同时处于0和1的叠加状态这一特性，既是优点也是缺点。缺点是这种叠加状态对外界环境的噪音、摄动和干扰极度敏感，因此需要设计更稳定的量子位元，要能更长时间地保持量子状态才能做出更复杂的电路，才能在运行大型算法时保持量子计算的优势。 Girvin介绍，这也是为什么目前在他所在的量子研究院，主要在研究超导量子位元和超导微波电路的重要原因。
Girvin指出，当前研究的最大挑战之一就是量子纠错，或者设计容错率高的电路，这其中的关键是需要大量量子位元，因为尽管每一个位元都是不完美的，但是整个集合能完成近乎完美的运算。 “理论上这是可以完成的，但我们仍处在探索的初级阶段，在练习，在实验。 ”
此外，基于量子计算的算法和全新编程方式的空白，是另一大研究挑战。 Girvin说，这就像1940年在初代电脑上用真空管进行编程时，有大量的电线要插到配线架上，有很多部分需要连接起来，其过程繁琐冗杂，当时的程序员都饱受硬件编程之苦。直到数学家约翰·冯·诺伊曼和他的合作者们发明了冯·诺伊曼结构——一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。 Girvin认为，目前在量子计算的研究上，也正在经历着这方面的同比，并进入一个寻求优化方案的时代。
各国的量子角逐赛
尽管关于量子计算的研究尚有诸多挑战，但研制量子计算机已成为世界各个大国角逐的焦点。
为什么量子计算领域的竞争这么重要?对此， Girvin认为，量子技术将给各国经济和国家安全方面带来重要影响力，尽管具体潜力还不清楚，但很有可能是“如同第三次工业革命一般的变化” 。
在量子计算未来可能的重要应用中， IC设计领域可望得到受益。 Girvin指出，芯片设计上有大量优化步骤，需要在芯片上定位处理器的不同部分，在这其中绕线连接，还有成千上万的约束元件，线路不能太多太长等，这一切都必须依赖计算机来计算。
另外，很重要的一点，量子计算也被众多科学家们视作突破当前已经趋于枯竭的摩尔定律的一项新希望。
由人工智能等一系列前沿应用引发的对计算能力的需求不断激增，这让摩尔定律和冯诺依曼架构的瓶颈日益凸显。在过去50年里，传统数字计算机的性能按照摩尔定律一路提升——集成电路（微芯片）的容量大约每18-24个月翻一番。如今，数字计算机性能的发展速度似乎正在放慢，冯诺依曼计算架构不断抵近极限，即内存的读取速度和芯片的处理速度渐渐难以实现同步。所以寻找新的替代方案变得尤为重要。
Girvin介绍，每个国家关注的量子计算领域也有所不同，不过主要集中在量子信息处理（或者量子计算）、量子沟通以及量子传感三个领域，而三个领域又是紧密相连的。除了已经谈论颇多的量子计算外，量子沟通研究在量子力学范围内最大限度地精确测量微小信号；量子传感可用于探测微小的无线电信号，射电天文学者或工程师用来探测微小磁场，药物研发、基础科学和工程中也有很多应用。
“每个国家都会对这三个领域有所涉猎，只是投资水平不同。近年来中国在量子沟通上下了很多功夫，量子计算也是。 ”Girvin说。
前不久问世的中国的76个光子的量子计算原型机“九章” ，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。标志着中国成为全球第二个实现“量子优越性”（国外也称之为“量子霸权”）的国家。
此外，欧洲也在量子沟通上大量投入，包括超导量子位元和冷原子。美国正在开始研究量子沟通，关注的也是超导量子位元和量子沟通。 Girvin领导的其中一个美国国家量子研究院，更多地关注短距离沟通，将模组和电脑群连接在一起。
Girvin解释，量子计算有很多平台，包括超导量子位元、光学、原子等等，所有能用于承载量子信息的物理对象都能成为平台。另外也有其他的研究中心专注于量子材料的研究。
何时实现商业化价值？
近期，风险资本开始流入围绕量子计算的公司。投资者开始在这项常处于初期的技术上大胆下注，他们认为，即使目前量子计算机尚规模有限、易出错、不稳定，也可能被证明具备商业用途。
不过， Girvin提醒，现在要说量子计算机能有效解决什么问题还为时过早。他指出，学术领域和在资本领域对此说法略有不同， “资本或许会夸大量子的可能性，而我们并不知道这些承诺是否能兑现。总而言之，大型量子计算机能够解决很多有趣的难题，但并不是所有问题。有些问题还是需要启发性实验设计，寻求可用但或许并不完美的解决方案。 ”Girvin对量子技术的发展阶段保持怀疑态度，但他表示即便当前量子计算仍处于早期发展阶段，他对此的前景也很乐观。