科學前沿 量子突破！科學家創造出世界上最純淨的硅，【前沿科學】

芯片製造的基礎材料是硅 其實硅不僅能製造普通的計算機 還有可能用來製造量子計算機 過去的60年 科學家們一直設法將硅的性能推至極限 不過,天然硅是由硅28,硅29和硅30 三種不同的同位素組成的 其中大約5%的硅會產生核翻轉 導致信息丟失 近日,曼切斯大學的科學家 取得了一項突破性進展 他們開發了一種新方法 去除了硅29和硅30 獲得了迄今爲止最純淨的硅 使其成爲製造大規模高精度量子計算機的完美材料 硅基量子計算機有一個巨大的優勢 利用現有的半導體設備 就可以提取這種超純硅 比如離子注入機 這幾乎在所有的半導體制造實驗室裏都能找到 這項突破可能在很大程度上 加快製造實用量子計算機的速度 相關研究已於5月7號發表在了通訊材料上 經典計算無論有多快 總要一步一步來 而量子計算機可以同時進行所有計算 在量子計算機研發當中 最大的挑戰之一就是其構建模塊量子比特 它具有高度的敏感性 微小的環境變化都會導致錯誤快速累積 另一個問題是規模 包括物理尺寸和處理能力 10個量子比特的處理能力 就與普通計算機中的1024個比特相當 而且所佔的體積還可能更小 量子比特上到三位數以後 處理器上表示狀態所需的經典位數 就很容易超過宇宙中的原子總數 已知宇宙的原子數大約是10的84方 大家可以動手算一下需要多少個量子比特 而一些科學家認爲 一臺性能完好的量子計算機 需要大約100萬個量子比特 100萬個量子比特是什麼概念呢 1998年 多機構合作製造出的世界上第一臺量子計算機 只有兩個量子比特 雖然很少 但證明了技術的可行性 之後的實驗就是不斷的增加量子比特 和降低容錯率 2019年穀歌宣佈 他們已經用一臺54量子比特的機器 實現了量子霸權 實行了任何經典計算機都不可能實現的計算 它在200秒內執行的一系列操作 當時的超級計算機要用1萬年才能完成 雖然這裏面有一些炒作的成分 但是不乏我們想象 100萬比特的量子計算機 擁有怎樣恐怖的實力 而此次研究 就爲100萬比特量子計算機 提供了一個可能的實現途徑 規計量子位不太容易出故障 並且可以被製造成針頭大小 小型化的實用的量子計算機 真的離我們越來越近了 既然他們能夠生產極高純度的硅 那麼下一步 北京團隊將進行驗證 看是否可以同時維持 多量子位的量子相干性 不用太多 一臺僅有30個量子比特的 可靠量子計算機 在某些應用中的性能 就可以超過當今的超級計算機 目前量子技術的發展很快 單說23年12月份 物理學家就實現了單個分子的糾纏 哈佛大學還成功創造了量子電路 以實現更有效的糾錯 量子計算機之所以發展這麼快 主要是因爲它是不能沒有的硬需求 因爲傳統計算機算力的潛在限制 算力翻倍的同時 成本減半的摩爾定律正在失效 成本的確還有下灘的空間 但是算力幾乎很難再提升了 實際上現在唯一的解決方法 就是把更多的處理器 拼在一塊提高算力 而不是更好的處理器 然後是數據量的急速膨脹 谷歌2016年到2018年期間 收集的數據量 比人類之前任何一個歷史時期 產生並收集的數據量都要大 隨着2018年之後視頻內容的緊噴 這個數據還會更快的增長 數據增長的速度 遠遠大於計算機算力的增長速度 所以普通計算機很快就會無力招架 不停的買計算機充數 可以說是一種蠻力 而以上的這些問題 量子計算機可以解決 擁有量子計算機 不僅僅是一件很酷的事情 它具有實實在在的必要性 如果說大模型區塊鏈 這些概念是寫實的話 那麼量子計算機就是造字 量子計算機早就已經商用了 以後還會有越來越多的商業服務 連接你的口袋 不過不是所有情況 人家都會賣給你 更不會賣給你最好的 如果你有錢的話 可以買一些殘羹剩飯 所以最刺激的還是安全問題 量子計算的到來 預示着傳統加密技術的死亡 區塊鏈 加密貨幣 銀行系統 武器系統的密碼 在量子計算機面前 全都不堪一擊 量子計算機不僅是矛也是盾 由於量子系統的概率性 量子密碼學 具有無條件的安全性 所以量子計算 對於一個國家 尤其是一個大國來說 絕對不能沒有 在升級至量子加密安全網絡的 技術前端中 對國家安全至關重要的量子計算機 是排在首位的 無論是關鍵企業還是軍方 都必須在變革之前做好準備 提前採用量子加密技術 不然到時候 你這邊就是一捅就破 後果也將是災難性的 一旦最強的那一個國家開始收割 只有少數幾個擁有量子計算機的國家 能倖免於難 另外 各個國家都在收集他國 尤其是潛在敵對國的信息 這些加密信息 都是無法破解的 而一旦具備瞭解密的能力 可能就會有大量的 重大的祕密被披露 在量子計算的攻擊面前 沒有任何一種經典加密的手段 能確保自己的安全 這場量子競賽已經開始了 躲是躲不掉的 勝利者將首先享用祕密 那麼量子計算機和普通計算機 到底是有什麼區別呢 這裏有一個比較形象的例子 如果把量子計算比作核能的話 那麼普通計算機 大概就是火力發電 這麼說量子計算的威力 差不多就清晰了 那中國目前的量子計算 處在什麼水平呢 老實說目前處在國際頂尖水平 具體可以搜下九章三號 潘建偉 量子隱形傳態等關鍵詞 很多之前我們都說過的 這裏就不再贅述了 從谷歌搜索的一些數據可以看到 量子計算這個詞 是從2018年左右 才突然一下子熱起來的 除了上面說到的安全 數據處理之類的大問題 當然還有資本家對於金錢的渴望 一臺實用的量子計算機 能夠在金融 交通 運輸 能源 醫藥等行業帶來巨大的收益 所以一直處於商業化邊緣的量子計算 也開始在一定程度上被炒作 大家客觀的看待即可