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电子市场网:为什么我们需要量子计算机?

Auth:亿配芯城 Date:2019/12/9 Source:www.yibeiic.com Visit:89 Related Key Words: 电子市场网 集成芯片
现代信息技术的核心是芯片基于半导体材料的技术 然而,单个晶体管的尺寸即将达到原子级,这导致传统半导体器件中不可避免的量子效应。 因此,控制单量子系统,开发具有特定功能的量子器件,是突破摩尔定律瓶颈的唯一途径。 情报学和量子理论的结合催生了一门蓬勃发展的交叉学科——量子情报学。 量子计算机基于量子力学原理,具有经典计算机无法比拟的计算能力。它的实现将导致信息技术的新革命,具有重要的学术价值和应用前景。

摩尔定律
摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出的[1] 内容已经修改了几次,改为:当价格保持不变时,集成电路上可以容纳的晶体管数量将大约每18个月增加一倍,性能也将增加一倍。 换句话说,价格相同的计算机的性能每18个月就会翻一番以上。 这条法律说明了信息技术的迅速发展。 摩尔定律自发现以来的50年里,产生了巨大的影响。
集成芯片


美国惠普实验室研究员斯坦·威廉姆斯说,到2010年左右,半导体晶体管可能会出现问题芯片制造商必须考虑替代产品 英特尔技术战略部主任保罗·加吉尼(Paul Gaggini)认为,一些使用纳米线等技术的“混合”晶体管将于2015年左右投入生产,并将在5年内取代半导体晶体管。 一些专家还指出,半导体晶体管可以继续发展,直到其尺寸达到极限——在4到6纳米之间,可能是2023年。

制约技术之一:从技术角度来看,随着硅片线密度的增加,其复杂度和误码率也将呈指数级增加,这也使得全面彻底芯片测试几乎不可能。 一旦线的宽度打开芯片达到纳米水平,材料的物理和化学性质将发生质的变化,使目前的半导体器件无法正常工作。

经济:从经济角度来看,建设一个芯片植物。当线的尺寸减小到0.1微米时,它将飙升到100亿美元,这超过了对核电站的投资。

后摩尔时代的出路:首先,修正现有的芯片制造业 技术上来说,一旦线的宽度芯片达到纳米量级时,量子力学是适用的,从而为电路元件的尺寸设定了限制!可能的解决办法是将目前的硅晶体管变成量子开关,如量子点、单电子晶体管、分子开关等。,这需要考虑量子修正。 由于经济限制,技术进步可能会被克服。 第二,转变信息产业技术 由于半导体晶体管发展到纳米尺度,这种尺寸将是量子力学的适用范围,材料的物理和化学性质将发生质的变化。 因此,我们可以利用量子力学的酉进化来构造逻辑门,即量子计算。

集成芯片中的热效应
朗道原理芯片显示对于删除的每一位信息,至少需要将KBln2能量耗散到环境中以产生热效应。 此外,这个值只是能量耗散的下限,而在这个阶段的实际能量耗散要高几个数量级!因此,对于不可逆的信息处理,环境的熵增加了 随着摩尔定律的发展,芯片集成、计算能力和能量消耗的增加。 随着相关技术的进步,能耗可能会降低。 然而,由于能量耗散具有理论下限,芯片积分将有一个理论上限!


集成芯片
为了避免热效应,我们希望在不需要删除信息的信息处理过程中不会出现能量耗散,相应的计算模型是可逆的计算 然而,在经典计算中能否实现可逆计算还没有确定。 同时,在量子计算中,逻辑门的构造是通过量子力学的幺正演化来实现的,这是可逆的,原则上是可逆的计算。

经典计算
(强)丘奇-图灵命题的理论极限表明,在多项式差的情况下,任何计算模型都等同于概率图灵机。概率图灵机上用多项式资源无法解决的问题在任何机器上都无法有效解决!换句话说,在经典计算中,有些问题是不能有效解决的。 例如:

(1)1982年,费曼证明了当用经典计算机模拟量子力学系统时,计算资源(时间、空间)的消耗将随着输入(粒子数、自由度)的增加而呈指数级增加 例如,为了描述n=266的量子态,经典计算机中记录的独立数大约等于宇宙中粒子的总数。费曼因此推测,根据量子力学定律工作的计算机可能会避免这一困难。
集成芯片


(2)大数分解 用一台高性能的个人计算机将664位分解成两个质数的乘积需要1000年,所以这不是一个容易处理的问题。 由于这个问题的困难,大数的分解是现代密码系统的数学基础。 公钥密码系统的安全性主要取决于构造算法所依赖的数学问题。它要求加密函数具有单向性(即难以找到反函数)。因此,对于当前计算能力来说,加密者从公钥中获取密钥是不可行的。 然而,在1994年,肖尔算法诞生了,在同样数量的量子计算中,一分钟就可以解决上述问题!

在后摩尔时代的
1982年,费曼首次尝试使用量子力学原理构建计算机[2] 众所周知,在量子系统中,计算复杂度随着系统的自由度呈指数级增加。 因此,不可能使用现有的经典计算机模拟子系统。 1985年,多伊奇意识到[3]费曼的想法可以通过能够模拟任何物理过程的完整量子计算来实现。 尽管多伊奇算法几乎没有实际应用,但它通常被认为是第一个比任何经典算法都更有效的量子算法。 从那以后,量子计算机的实际应用引起了广泛的兴趣,其中两个最具革命性的量子算法是肖尔和格罗弗·[4,5]

随着过去几十年新技术的进步,人们可以在单一量子水平上控制量子系统,这极大地促进了量子计算的发展[6] 特别是在过去的20年里,量子计算机硬件系统的理论和实验研究取得了很大的进展:在许多不同系统中演示各种量子信息处理任务的实验取得了成功。 因此,我们现在有理由相信量子计算机将是解决经典计算机无法解决的计算问题的一个可能的强大工具。

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