美國封鎖付諸東流？量子計算機「九章」橫空出世，還要光刻機嗎？

光刻機是生產CPU的必備設備，而由於美國的封鎖，中國已經買不到最先進的光刻機，在這樣的條件下，即使再先進的電路設計，也只能停留在紙面上，光刻機稱了繞不過去的坎！

但最近好消息傳來，12月3日，中國量子計算機「九章」，以76個邏輯運算量子比特，以100億倍的速度直接碾壓了2019年谷歌推出的53邏輯比特的「懸鈴木」！量子計算機已經橫空出世，未來還需要光刻機嗎？

量子計算機的「CPU」是怎麼樣的？

提起計算機就離不開馮諾依曼結構，半個多世紀都過去了，我們現在在用的計算機還是由運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備組成，其中最核心的設備就是運算器、控制器，這兩部分現在將其集中在了一個叫做中央處理器的晶元中，這就是我們需要的CPU。

無論再強大的CPU，它也是由控制單元、存儲單元和運算的單元組成，它的核心就是由各式各樣的邏輯門電路，包括與門、或門、非門、與非門、或非門等。無論外界輸入的是什麼信息，但到了CPU這邊，就只有0或者1，邏輯門只認這樣對應的低高電平！

所以傳統計算機的CPU需要集成幾千萬甚至上億個門電路，光刻機就是將這些複雜的電路印到塗了光刻膠的CPU硅基片上，然後再溶解光刻膠、蝕刻、離子注入等在基片上製造出晶體管，它的精細程度就決定了在硅基片上能製造出多少個晶體管，所以光刻機直接就決定了CPU的級別！

CPU內部的電路結構

量子計算機的CPU是怎麼樣的？

量子計算機的最基本原理其實和電子計算機沒差，它也是0和1來計算的，只是它代表0和1的方式有些不一樣，比如光子的兩個正交的偏振方向，磁場中電子的自旋方向，或核自旋的兩個方向等，在測量之前，它的狀態是疊加的，同時表示1和0！

那麼它如何來表示呢？選定兩個相互正交的本徵態，分別以 |0>（采狄拉克標記右括向量表示）和 |1>表示，當對此系統做投影式量子測量時，會得到的結果必為這兩個本徵態之一。兩個本徵態|0 >和|1 >以及無限多個線性疊加態|Ψ>=α|0 > β|1>,集合起來就是一個量子比特。

傳統計算機中一個比特就是一個邏輯門，而量子計算機中一個比特同時表示0和1外還有疊加態，這個方式就是量子計算機的態疊加原理，這會讓計算機在處理速度上會快很多，因為2^n的方式增加，n就是量子比特位，也就是邏輯量子比特。

量子邏輯比特的致命缺點

我們知道，處於疊加態的量子有一個問題，它很容易塌縮，所以就會遭遇第一個問題，量子比特退相干了，計算過程玩不下去了，不過現在有了多個解決辦法，比如三種量子編碼（多個量子比特位的CSS糾錯碼、拓撲量子 ； 量子避錯碼；量子防錯碼（量子芝諾效應））解決了退相干（量子坍縮）問題。

二項式量子糾錯碼示意圖

量子計算機的幾種結構

解決了退相干問題，接下來用哪種物理層面的量能級體系做量子比特呢？

現在比較流行的有核磁共振、離子阱，線性光學、超導、量子點等幾種，核磁共振比較容易實現，但它量子比特難以大幅增加，2001年IBM就用核磁共振，用5個氟原子和兩個碳原子的分子，總共7個量子比特（2^7經典比特）用秀爾演算法完成了15的質因數分解。

離子阱和線性光學的相干性非常好，比較穩定，但它比較難集成化，我國潘建偉領導的「九章」量子計算機就是線性光學。

超導和量子點，比較容易集成，也就是做到晶元里，但它的相干性比較差，比如谷歌在2019年發布的Bristlecone量子晶元有72個量子比特，但由於相干性比較差，利用8個一組的量子比特作為糾錯碼，真正的邏輯比特只有9個量子比特！

72量子比特的「Bristlecone」(狐尾松)量子晶元

而在2020年發布的Sycamore（懸鈴木）量子晶元中使用了142個量子比特，有88個量子比特用作耦合器工作，只有53（有一個是壞的）個量子比特作為邏輯運算！

Sycamore有53個真正可用的邏輯運算比特

量子計算機爆發的未來還需要光刻機嗎？

從量子計算機的核心結構來看，離子阱和線性光學這兩種無法集成，大家應該都已經看到「九章」的計算核心就是一個巨大的光學結構，這個想要集成到矽片上，幾乎就是不可能的！

而另兩種比如量子點和超導方式，卻是可以集成到硅基片上的，而美國主攻的也是這個方向，包括此前GOOGLE公開的兩個量子計算機都是這個結構。

到底要不要光刻機？

從超級量子計算機而言並不在乎體積大小，因為它的誕生必定是先用來解決科學問題的，所以對於計算核心體積過大並不敏感，就像現在的超級電子計算機一樣呢，一台就佔了一個龐大的機房，而量子計算機比它快得多，但卻更小，所以這樣的條件下，CPU無需再用硅基晶元光刻。

但未來量子計算機小型化，那麼必定要考慮量子計算單元集成到硅基片上的情況，此時光刻機就少不了了，當然對於量子計算機的計算水準而言，它不需要現在那麼高的幾納米的需求，因為到了量子CPU時代，集成幾百個邏輯運算量子比特，已經是能把宇宙算完了！

不過我們相信保持量子比特和讀取這些信息，仍然需要傳統的電路來實現，所以從這個意義上來看，光刻機還是繞不過去的坎，只是光刻機的水平可能不再是約束性能的唯一途徑。

另外外圍電路的很多晶元是無法用量子晶元代替的，在那些晶元上光刻機也省不了！

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