量子计算与存储器发展（多图）

按：本文取自FMS-2024 特别技术宣讲，由 Wei-Ti Liu 介绍量子计算背景，原材料（291页）内容较多，涉及大量理论知识。从科普和存储相关出发，鹏弟整理出其中两个环节，有余力者可继续探索。

关于 Quantum Technology,LLC

Quantum Technology, LLC[1] 总部位于宾夕法尼亚州费城。该公司是一家多元化企业，专注于数据中心和实验室的退役服务，主要涉及购买和转售数据中心及实验室设备。Quantum Technology 不仅在硬件制造方面有着深厚的积累，还积极从事数据管理和保护技术的研发，以帮助组织更好地利用其数据资源。Quantum Technology, LLC 在量子技术领域具有显著的潜力和优势。从全球市场趋势来看，量子技术行业正在迅速发展，预计到2035年将对计算、密码学、传感、成像和通信等领域产生革命性影响。这为公司提供了巨大的机会，尤其是在新兴市场中扩大业务和创新应用。

关于 Wei-Ti Liu[2]

刘伟迪是Quantum Technology，LLC的普通合伙人。他之前是基于PCI芯片组制造商PLX Technology的联合创始人/总经理/工程副总裁。在PLX，他负责监督运营，直接管理工程团队，并管理铸造厂接口。他曾任USB控制器制造商和安全设备制造商NetChip Technology（现为博通公司）的总裁兼首席执行官。Wei Ti在ASIC VLSI芯片设计方面拥有丰富的经验，并曾担任IBM、AMD和Intel的设计工程师。他获得了纽约城市学院的MSEE和国立台湾大学的BSE。他曾在多个闪存峰会上发表演讲，并在该领域拥有12项美国专利。感兴趣的领域包括：投资量子技术，就半导体相关技术项目、MRAM设计、3D管芯堆叠和异构集成架构设计提供咨询。

QC 导入

什么是量子计算机？

量子计算机代表了一种处理信息的全新范式。

• • 超越传统计算机的性能
• • 量子优势
• • 在量子计算机上解决了传统计算机难以解决的问题
• • 量子计算机与传统计算机的比较

图中左上是位于MIT 林肯量子计算实验室的设备原型，基于超导量子比特（左下）实现，右上是1945年世界第一台数字计算机 ENIAC，基于早期的二极管实现（右下）。

历史总是在不经意间重复、前进，量子计算大设备将人们视野重新带回到上世纪40年代，系统级大设备制造。

• • 理查德·费曼和马林·马宁（苏联）在1981年提出了量子计算机的概念，用以模拟量子力学。
• • 晶体管缩放正在放缓。缺乏创新？
• • 新建一个半导体工厂需要200亿美元（GDP规模的预算投入！）。
• • 应用需求：
  • • 化学模拟-医学
  • • 人工智能-机器学习
  • • 优化问题

量子计算是在什么样背景下提出、思考的呢？

图中部的三张图标反映出当前算力面临的问题。

1. 1. 随着传统计算架构的升级，摩尔“定律”已从本世纪10年代的线性增长，过渡到缓慢增长阶段，业界为缓解算力焦虑提出了大量解决措施，其中包括：RISC-多核策略的ARM处理器方案、专用计算-GPU/TPU及本文讨论的量子计算。
2. 2. 传统计算架构的工艺/能耗比收益放缓，新一代制造工艺需要大量资本投入。
3. 3. 集成电路能耗问题日益严峻，随着单位面积微电路密度越来越大，当个芯片的能耗，及芯片的热管理都引入新的系统级难题。

英特尔希尔斯伯勒D1X研究工厂内的高NA EUV制造工具。

CMOS技术面临的挑战

1. 1. 逻辑和存储器硅的性能完全依赖于CMOS的缩小，遵循摩尔定律。
2. 2. 当CMOS晶体管达到10纳米及以下时，晶体管会变慢。
3. 3. 高制造成本限制了10纳米以下技术的应用，这也影响了由于高成本和有限的晶圆供应商而导致的新（发明）想法。
4. 4. CMOS硅芯片在10纳米以下技术使用时，功率会呈指数增长。
5. 5. 需要新的计算机架构，不依赖于晶体管的缩小。

这些挑战反映了在先进制程技术上所面临的技术和成本障碍。

量子计算和经典计算的发展及其机遇。

经典计算机

• • 1906年发明了真空管，这是第一台真空管计算机的基础。
• • 1947年发明了晶体管，这是第一个商用集成电路（IC）芯片，如Intel 4004（1971年）和8008（两年后）。

量子计算机

• • 1980年，理查德·费曼建议使用量子计算机来模拟量子系统。
• • 20世纪90年代中期，彼得·肖尔的算法是第一个解决实际问题的量子算法，具体例子是大规模数的因子分解（例如15 = 3 x 5）。
  • • 因子分解是经典计算机难以解决的问题。
• • 肖尔、罗伯特·卡尔代拉bank和安德鲁·斯蒂恩是首批提出量子纠错码的人。

未来20到30年内，预计会出现具有1,000,000个量子比特的容错量子计算机。

1. 1. 近期商业应用：
   • • 量子信息技术的近期商业应用（NISQ），包括：
     • • 噪声中等规模的量子模拟
     • • 噪声中等规模的优化
2. 2. 量子实用性和硬件软件：
   • • 量子实用性的发展，从133个量子比特增加到1000个量子比特（来源：IBM）。
   • • 量子计算机能够运行经典模拟无法触及的电路。
3. 3. 机遇：
   • • 各种组件产生了新的商业机会，包括光学、电子、软件和制冷等领域。

• • 1900-1930年：量子力学
• • 1936年：爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（EPR）提出“量子力学是不完备的”
• • 1936年：薛定谔提出纠缠粒子
• • 1964年：贝尔证明了EPR对的行为没有经典的解释，因此量子力学不是经典意义上的不完备，量子力学很奇怪。
• • 1980年：Aspect表明贝尔的预测是正确的，许多研究表明量子力学没有经典的解释，量子力学是有效的。
• • 1982年：赫伯特提出“FLASH”，利用量子力学的奇怪特性和EPR效应实现超光速通信。
• • 1982年：两组人发现赫伯特的论文错误的原因，即无克隆定理，即单个未知的量子状态不能复制。
• • 1982年：理查德·费曼和曼尼（苏联）提出量子计算机来模拟量子力学。

• • 1985年：David Deutsch描述了量子计算机（Q. Machine）。
• • 1992年：Deutsch和Josza提出了Deutsch和Josza算法。
• • 1993年：提出了Bernstein-Vazirani问题。
• • 1994年：D. Simon算法（Simon问题）展示了该算法比经典计算机指数级更快。Simon算法没有实际应用，但激发了Shor发现了著名的量子算法，用于大数因式分解的周期查找。
• • 1994年：Peter Shor（贝尔实验室/麻省理工学院）提出了Shor的因式分解算法，量子计算领域由此起飞。Shor的算法是用于查找大数因式分解周期的超高效量子算法。
• • 1995年：Lov Grover提出了搜索算法。

量子计算机在不同领域的应用。

1. 1. 网络安全 - 量子通信
2. 2. 材料科学 - 新电池技术
3. 3. 化学 - 氮固定（肥料）
4. 4. 制药 - 基因测序
5. 5. 机器学习 - 人工智能（AI）

几种主要的量子比特类型及其相关技术。

• • 超导量子比特（Superconducting Qubits）
• • 囚禁离子量子比特（Trapped Ion）
• • 拓扑量子比特（Topologic Qubits）
• • NV中心（NV centers）
• • 光子量子比特（Photonic）
• • 硅量子比特（Silicon）

图比较了不同量子比特技术的特征。

图示量子计算工作原理。

右上角为单个量子处理器，初态输入经 3量子比特设备得出终态输出。

左下角为量子处理器内部工作原理，每个维度矢量经过特定Unit完成处理，值得一提的是后文关于量子比特位数的讨论，要做一次2的幂乘转换。

量子计算性能。

30 量子比特的计算机相当于传统的台式机性能。40量子比特等同于超级计算机性能量级。

80量子比特，相当于地球上所有计算机的算力总和。

行业进展：

• • 中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。（2020） Quantum computational advantage using photons[3]
• • 谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”。（2019）

IBM Q System 量子计算机。

比较了经典计算和量子计算在几个重要算法上的性能差异。

1. 关键点：
   • • 量子计算在多个重要算法上展现出显著的性能提升。
   • • 在傅里叶变换、Deutsch-Jozsa问题和Simon问题上，量子算法实现了指数级的加速。
   • • Shor算法在量子计算中实现了整数因式分解的多项式时间复杂度，而在经典计算中是亚指数级的。
   • • Grover搜索算法在量子计算中实现了平方根级的加速。

量子模拟（VQE）

• • 量子计算机可以模拟许多类型的模拟问题。
• • 混合经典-量子系统以模拟经典算法，其中一个例子叫做变分量子特征值求解器（VQE）。
• • 量子计算机作为协处理器。经典计算机和量子计算机在模拟过程中来回传递信息。
• • 为了模拟由两个电子组成的氢分子，需要一个具有2个量子比特的量子处理器。

上图说明，量子计算并不是完全独立的计算单元，在实际工作中需要和经典计算体系完成数据交换，并作为专用计算的加速单元。

从底层到顶层：

1. 1. 量子芯片 (Quantum Chip)
2. 2. 微架构 (Microarchitecture)
3. 3. 量子到经典 (Quantum to Classical)
4. 4. Q指令集架构 (Q Instruction Set Architecture)
5. 5. Q算术 (Q Arithmetic)
6. 6. 运行时 (Runtime)
7. 7. 编译器 (Compiler)
8. 8. 编程范式与语言 (Programming Paradigm & Languages)
9. 9. Q算法 (Q Algorithm)

图片展示了量子计算的完整技术栈，从最底层的量子芯片到最顶层的量子算法。它清晰地说明了量子计算系统的各个组成部分及其层次关系。

量子计算存储器

图主要阐述了量子内存在量子计算领域的重要性和相关挑战。主要要点如下：

1. 1. 量子计算的潜力：50-400量子比特的量子计算机有潜力超越传统计算机的能力。
2. 2. 量子内存的关键作用：量子内存被强调为量子计算的一个重要组成部分。
3. 3. 技术挑战：量子比特的噪声问题是一个主要挑战，可能会限制量子电路的规模和可靠性。
4. 4. 量子计算的特性：图中提到量子计算机功能强大，但同时也指出其实现困难，特别是在量子比特质量方面。
5. 5. 量子内存的目标特性：强调了量子内存需要稳定性和长时间存储能力。

这些信息突出了量子计算领域的发展前景和面临的挑战，特别是在量子内存技术方面。图片内容反映了当前量子计算研究的一些核心问题，包括如何提高量子比特的质量和稳定性，以及如何克服噪声带来的限制。这对于推进量子计算技术的发展至关重要。

量子模拟在科学研究和技术发展中的关键作用，涵盖了从基础物理到实际应用的广泛领域。对量子存储器提出挑战，核心是：稳定且长期的存储时间

图主要阐述了量子内存的应用及其面临的挑战和可能的解决方案。主要观点包括：

1. 1. 量子计算和存储技术的快速发展，但量子内存目前仍局限于量子处理器内的寄存器级别。
2. 2. 量子通信的广泛应用对稳定的量子内存和存储提出了需求。
3. 3. 无克隆定理给量子态的大规模存储带来了重大挑战，这是量子存储领域的一个关键限制。
4. 4. 提出了一种可能的解决方案：使用经典内存存储大量量子态，然后将其传输到量子内存。
5. 5. 图表展示了一种混合模式，结合经典内存（或存储）和量子内存，通过经典控制逻辑和接口编码实现两者之间的交互。

关于无克隆定理。

1. 1. 无克隆定理指出，不可能创建一个未知量子状态的完美副本。
2. 2. 这意味着无法对任意未知的量子态进行精确复制。

为什么给量子态的大规模存储带来了重大挑战？

1. 1. 存储限制：
   • • 传统存储方法依赖于数据的复制和备份，而量子状态无法被复制。
   • • 这意味着每个量子比特的状态都是唯一的，无法简单地复制到多个存储位置。
2. 2. 错误纠正困难：
   • • 在经典计算中，通过冗余存储可以实现错误检测和纠正。
   • • 量子态无法复制，使得实现类似的错误纠正机制变得极其困难。
3. 3. 读取问题：
   • • 读取量子状态会导致其坍缩，改变原始信息。
   • • 这使得多次访问同一量子信息变得不可能，限制了存储系统的灵活性。
4. 4. 扩展性挑战：
   • • 随着量子系统规模的增加，保持每个量子比特的独特状态变得越来越困难。
   • • 这限制了量子存储系统的可扩展性。

量子计算与半导体技术

图片主要讨论了量子计算机扩展面临的挑战和可能的解决方案。主要要点包括：

1. 1. 扩展瓶颈：大量互连线路对于控制和测量量子比特是必要的，但也成为扩展的主要障碍。
2. 2. 新技术需求：需要开发新的稳定量子比特和先进的通信技术，以便在室温控制设备和低温量子比特之间建立连接。
3. 3. 精确控制要求：电子线路必须高度精确，并需要靠近低温量子比特放置，这增加了设计和实现的复杂性。
4. 4. 复杂的控制系统：量子比特需要大量模拟和数字线路来进行精确控制。

量子计算机扩展面临的关键挑战和可能的解决方案。主要内容包括：

1. 1. 低温运行要求：QPU（量子处理单元）需要在极低温度（毫开尔文级别）下运行。
2. 2. 量子比特相干性维持：在低温环境下集成控制和读出系统，以保持量子比特的相干性。
3. 3. 电缆数量问题：
   • • 大规模量子系统面临电缆数量急剧增加的挑战。
   • • 百万量子比特系统需要数百万根电缆，构成重大工程难题。
   • • 提出将读出电路和控制逻辑置于稀释制冷机内部，以减少所需电缆数量。
4. 4. 3D集成技术需求：指出3D集成技术对解决上述挑战至关重要。

Noted：量子计算的硬件需要大量半导体技术参与，其发展并非与现有半导体产业分割，而是根植其中，侧枝发展。

1. 1. 今天的量子计算机公司有三个专业领域：
   • • 构建半导体芯片（包括软件）
   • • 制造量子计算硬件（组装成紧凑的封装）
   • • 量子物理学
2. 2. 半导体（芯片）公司之所以能从微型计算机市场，以及后来的超级计算机市场中胜出，是因为芯片公司知道如何生产芯片，而不是因为芯片公司拥有最佳的计算机架构。

总结

文章摘选自 超导量子比特和量子计算机硬件设计 教材，关注量子计算机背景和量子存储器发展。

1. 1. 自1985年科学家提出量子计算概念，到2020年中国科大团队发明76个光子的量子计算原型机“九章”，量子计算正处于快速发展阶段。
2. 2. 与通用计算相比，量子计算在科学计算领域有巨大潜力，当前主要应用场景包括：网络安全 - 量子通信、材料科学 - 新电池技术、生物医药等。
3. 3. 因量子力学原理限制，量子领域的存储器设计有若干困难，科研团队提出内存混合模式，结合经典存储半导体和量子存储器。

引用链接

[1] Quantum Technology, LLC: https://metaso.cn/s/qzvhqP7 [2] 关于 Wei-Ti Liu: https://www.linkedin.com/in/weiti-liu-74308a4a [3] Quantum computational advantage using photons: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe8770