什么是量子计算？

世界量子日是一年一度旨在庆祝、普及和增进公众对量子技术认知与理解的节日，2024年的世界量子日已于 4 月 14 日举办。借此契机，我们不妨深入了解一下量子计算领域。


量子计算的核心原理

量子计算设备以 “量子比特”（简称量子位）为基础构建，而量子比特的工作依托于 “叠加态”原理 —— 与传统计算机中只能表示 “0” 或 “1” 单一状态的比特不同，量子比特可同时承载 “0” 和 “1” 两种状态。

当多个量子比特组合时，会呈现出一种名为 “量子纠缠”的奇妙现象，这种现象能让量子比特之间以复杂的方式相互作用。借助这些量子特性，基于量子比特构建的系统可对复杂问题的海量潜在解决方案进行并行处理。

然而，量子比特对极微小的热噪声都高度敏感，因此必须在接近绝对零度的环境中运行，才能维持足够长的稳定状态以完成计算 —— 这种稳定状态被称为 “量子相干性”。为提升量子计算系统的性能，设计者通常会采用超导材料来构建基于量子比特的量子计算系统。


量子计算能为我们带来什么？

量子计算有望为众多科学与工程领域带来革命性变革，其潜在应用包括推动个性化医疗发展、实现精准天气预报、优化电池技术，以及构建超高安全性加密体系等。

与此同时，另一类名为 “超导计算机”的设备，则致力于将传统计算技术推向每秒可进行百亿亿次运算水平。这类计算机不仅能提供极高的处理速度，其能耗还仅为现有计算技术的十分之一。

传统超级计算机在众多计算任务中仍不可或缺，但它们的高能耗问题一直为人诟病 —— 其能耗通常在兆瓦至吉瓦级别。不过，一些新兴的逻辑体系（如互易量子逻辑 RQL、快速单通量量子逻辑 RSFQ 等）正借助量子效应与超导连接，以极高的速度和效率执行传统计算操作。这类技术的关键要求之一，便是需在接近绝对零度的环境中运行。据预测，一台能耗为 1 兆瓦的传统超级计算机，未来有望被仅需 10,000 瓦能耗的超导计算系统取代。


迈向低温计算时代

全球范围内的科研机构正全力研发关键组件，以推动这些新型计算技术从实验阶段迈向商业化生产。而这一过程中的一大重要障碍，便是搭建能模拟组件运行所需超低温环境的测试与测量平台。

在晶圆和芯片层面开展测试至关重要：通过这类测试，可对新型器件与电路进行评估、验证其运行参数，并确保大规模量产的可行性。尽管许多测试与测量方法与传统半导体领域的方法相通，但如今必须针对超低温环境进行适配调整。