量子計算(QC)作為一種顛覆基本規(guī)則的技術而出現(xiàn)，有可能徹底改變半導體行業(yè)(當然也包括其他許多行業(yè))。隨著業(yè)界不斷突破算力的極限，量子計算將為新一代電路的設計、制造和優(yōu)化提供令人振奮的新機會。
量子計算VS傳統(tǒng)計算
基于量子力學原理，其信息處理方法與傳統(tǒng)計算有著根本的不同。從根本上說，系統(tǒng)使用的基本信息單位是導致這種區(qū)別的核心。
傳統(tǒng)計算是基于二進制數(shù)字比特的，這些比特以0或1狀態(tài)而存在，是所有傳統(tǒng)計算的基本構(gòu)建元素。相比之下，量子計算利用的則是量子比特，其具有一種稱為疊加的特殊性質(zhì)。不像傳統(tǒng)數(shù)字比特受到二進制的約束，量子比特可以同時存在多種狀態(tài)。基于這一特性，量子計算機能夠同時利用一系列的潛在值，從而可獲取無盡的可能性。
傳統(tǒng)計算機將比特表征為0或1，從而產(chǎn)生明確且可預測的結(jié)果。相比之下，量子計算機度量量子比特時，其結(jié)果是基于概率的。某個特定狀態(tài)的概率，則由量子態(tài)的諸多系數(shù)來確定。這就產(chǎn)生了一個稱為糾纏的神秘概念。在傳統(tǒng)計算中，一個比特的狀態(tài)對另一個比特的狀態(tài)沒有任何影響，而量子比特之間可能會發(fā)生糾纏。這意味著兩個量子比特的狀態(tài)是錯綜復雜地聯(lián)系在一起的，即便是它們在物理上相隔很遠。
芯片設計如何從QC中獲益
在半導體設計中，優(yōu)化是量子計算最有前途的一項應用。量子計算機擅長解決復雜的優(yōu)化問題，這在半導體設計階段極為重要。由于芯片設計涉及大量的變量和約束因素，而傳統(tǒng)計算機難以對芯片布局、功耗和性能實現(xiàn)優(yōu)化，量子計算機則可以同時研究多種潛在的解決方案，從而實現(xiàn)更快、更高效的芯片設計。
例如，量子算法可以優(yōu)化晶體管之間的連接路由，從而縮短信號路徑并降低功耗。該級別的優(yōu)化可以實現(xiàn)尺寸更小、更節(jié)能的處理器，這對新一代設備(如智能手機、物聯(lián)網(wǎng)設備和高性能計算系統(tǒng))的開發(fā)尤為重要。
這些新進展可能會重振摩爾定律。例如，英偉達的Ampere架構(gòu)(參見圖1)，目前是許多數(shù)據(jù)中心人工智能和HPC的內(nèi)核，該內(nèi)核包含540億只晶體管。在未來的芯片設計中，英特爾還計劃大幅增加晶體管的數(shù)量。在IEEE國際電子元器件大會(IEDM)所舉行的紀念晶體管75周年的活動中，英特爾組件研究小組展示了其在三個領域里延續(xù)摩爾定律的關鍵創(chuàng)新：
●實現(xiàn)小芯片無縫集成的新3D混合鍵合封裝技術
●可在單個芯片上安裝更多晶體管超薄2D材料
●在能效和高性能計算內(nèi)存方面提供新機會
根據(jù)英特爾的預測，新一代芯片所能集成的晶體管將超過一萬億只。
圖1：采用Ampere架構(gòu)的Nvidia A100 GPU。(來源：英偉達)
隨著半導體尺寸的不斷減小，量子效應變得更加顯著且難以控制。不過，量子計算可以用于模擬和分析量子效應，使芯片設計師能夠預見和預防潛在問題。這將使更可靠、更高效芯片的開發(fā)成為可能，特別是在量子比特極易受到環(huán)境干擾的量子計算等領域。芯片設計師可以利用量子模擬器對量子糾錯技術進行建模和優(yōu)化，從而開發(fā)出質(zhì)量更穩(wěn)定、功能更強大的量子處理器。
另一個相關因素是密碼學。眾所周知，量子計算對現(xiàn)有的密碼技術構(gòu)成了重大威脅。反過來，它也可以用來提高半導體芯片的安全性。為了在后量子時代保護數(shù)據(jù)，業(yè)界正在開發(fā)抗量子密碼算法。在芯片開發(fā)過程中，可以將這些新的加密方法整合到硬件中，從而確保未來的處理器能夠抵御量子攻擊。
量子計算還可以幫助生成真正的隨機數(shù)，這是安全芯片實現(xiàn)的關鍵因素。量子處理器可以利用疊加和糾纏等量子特性，來保護敏感數(shù)據(jù)和通信，從而將安全提升到更高級別。
量子計算的挑戰(zhàn)
量子計算雖潛力無限，但其本身也面臨如下幾個方面的挑戰(zhàn)：
退相干
量子計算的主要挑戰(zhàn)之一是退相干。量子計算機對環(huán)境異常敏感。當量子比特的精細量子態(tài)因溫度波動或電磁輻射等外部因素的影響而受到破壞時，就會發(fā)生量子退相干。這種現(xiàn)象限制了量子計算的保持時間，從而嚴重影響了量子計算機的潛力。為了解決這一問題，量子芯片設計師正在實現(xiàn)糾錯碼，并開發(fā)不易受退相干影響的量子比特。另外，設計師還在探索低溫冷卻解決方案，以維持量子穩(wěn)定工作所需的低溫。
糾錯
由于量子態(tài)本身就容易受到誤差影響，所以量子糾錯技術也變得至關重要。這一問題可以通過不同的方式來解決，量子芯片設計師正在將糾錯碼直接集成到硬件中，從而可實現(xiàn)實時的錯誤檢測和校正。對于穩(wěn)定量子計算和提高其可靠性來說，這是至關重要的。
可擴展性
量子比特的數(shù)量正在迅速增加。在宣布推出433量子比特的量子處理器Osprey(見圖2)后，IBM最近推出了一個更高的目標，即到2033年將量子處理器的規(guī)模擴大到10萬量子比特。量子計算機需要大量的量子比特，才能在廣泛的任務中勝過傳統(tǒng)計算機。不過，無論是在物理實現(xiàn)、還是所增加復雜性的管理方面，要實現(xiàn)該級別的可擴展性，都是一項重大挑戰(zhàn)。芯片開發(fā)工作的重點，是在芯片上密集封裝量子比特，同時又要最大限度地減少量子比特之間的干擾。這涉及到如何對量子比特布局和布線方案進行優(yōu)化，來適應大規(guī)模量子系統(tǒng)。
圖2：IBM Osprey量子處理器。(來源：IBM)
結(jié)論
隨著量子計算技術的發(fā)展，它有可能以多種方式為新一代芯片設計帶來一場革命。量子計算提供了一系列工具和解決方案，可以推動半導體行業(yè)的發(fā)展。其中包括提高芯片安全性、加快新材料的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化芯片設計和模擬量子效應。這將有可能為各種應用提供功能更強大、更高效、更安全的新一代芯片。
