量子芯片——从摩尔定律到尼文定律

这年头，做产品的如果不用上一些诸如纳米，量子，人工智能这样的高端词汇来包装，那宣传的效果一定会大打折扣。作为高大上的代名词，“量子”越来越多地出现在我们的日常生活里，但就像那些铺天盖地的广告，神乎其神的描述一样，虽曾经把我忽悠的一愣一愣，但现在多少也对他有了抗性，看到都会毫无波动地略过。

但是当我们把量子放到计算机领域的时候，大家就要警惕起来了，这东西大概率不是圈钱的，他是要和你来真的了。

来自 Google 的量子芯片 Foxtail

摩尔定律

这些年来，计算机的发展可谓既持久又迅猛，自从一个叫图灵（Turing）的人提出了计算机处理二进制数的思想，而冯诺依曼实现之，之后就形成了由点到面的大发展。将数学逻辑世界与现实世界相连的图灵机，它不仅是计算机理论的基石，也孕育了包括AI在内的许多前沿科技。

1965年，英特尔（Intel）CEO戈登·摩尔（Gordon Moore）提出了摩尔定律（Moore's Law）的设想：半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量会每年增加一倍。

这时的摩尔还在美国著名的仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）当研发工程师，摩尔是这家公司的联合创始人，而仙童也是平面型晶体管的首批推广者。早在1959年，他们就率先发售了平面型晶体管。两年后，他们通过光刻技术（photolithography），在硅片上集成了半导体电路所需的元器件，推出了平面型集成电路。

用高能量的激光/紫外线在物体表面进行精细雕刻的技术

摩尔定律正是在这样的背景下诞生的。

光刻技术就像是我们的雕刻工具，集成电路（IC：Integrated Circuit）则是一种电子雕刻的艺术。是的，除了那些肉眼可见的木雕，石雕，沙雕，还有这么一种微观层面的，更加高科技的雕刻工艺——“硅雕”。所以摩尔定律其实是对光刻技术，或者说平面工艺的一种归纳和预测。

当他在1965年被邀请预测半导体未来10年的发展时，他给出了这样的一份答卷。文章标题简单粗暴：《让集成电路填满更多的组件》 （Cramming more components onto integrated circuits）。虽然当时的结论是每年增加一倍，但在10年后的1975年，他在IEEE国际电子组件大会上结合现实情况修正了他的结论：半导体的复杂度会继续每年增加一倍，到1980年左右再往后则减缓到两年增加一倍。

计算机领域的发展趋势与摩尔定律高度吻合

到了今天，我们说的摩尔定律已经变成了每18个月增加一倍，英特尔的执行官 David House 认为，综合晶体管的集成数量和传输速率，18个月比24个月（两年）更加贴合实际。

量子计算机

2018年12月，Google 的 AI 科学家使用了当时最先进的量子处理器做了一次计算，为了对比模拟结果，他们在普通笔记本电脑上重现了这一计算过程。到了今年（2019年）1月，他们使用改进版的量子芯片继续进行了这一试验，而为了完成这次的对比，他们不得不选用性能更加强劲的台式电脑。

一个月后，再次测试时，团队遇到了难题，因为此时他们已经找不到一个常规电脑可以模拟最新的量子芯片了，研究人员不得不请求使用 Google 庞大的伺服器网络来校核量子芯片的运算结果。

量子 AI 实验室的主任 Hartmut Neven 也是在这时候开始真正意识到，量子计算机的成长速度快的惊人。根据他的体验，他把这种更高速的增长与双重指数函数建立了联系，它的特点是：指数的指数。

尼文定律

如果你觉得 a^x 函数已经增长的够快了，那么试着想想看 a^(a^x) 的增长吧。

以底数2为例，指数增长我们会得到：

也就是从2到4到8再到16。同样以底数2为例，双重指数会给我们：

也就是从4到16到256再到65536。仅仅通过4次迭代，就完成了从4到一个5位数的暴涨，这也正是 Neven 想要表达的意思。

双重指数增长与指数增长的对比

所谓的尼文定律（Neven’s Law），讲的就是量子芯片的发展速度大致满足一种双重指数的增长速度，它是一种比指数增长更快的爆炸式发展。

关于这种超速增长背后的原理，Neven从两方面给出了解释：

1. 量子计算机本身的优势。类似量子物理学中的概念，叠加态既然可以让薛定谔的猫既是死的又是活的，它同样也允许一个量子比特（Qubit）既代表0又代表1，从而不再局限于传统存储的0或1的选择之中，而是可以“全都要”。

传统的0,1存储与量子比特的叠加态存储

这样一来，在计算结果确定之前，一个量子比特就可以同时表示0和1来参与计算，这样的结果就是，4个量子比特就可以替代16个传统的比特存储单位。

2. 我们对量子芯片的优化速度也是非常快的。通过减少量子电路中的错误发生率，我们可以造出规模更大，处理性能更强的芯片，这一过程就和现在传统计算机芯片的发展比较类似。

所以，两条腿走路的量子计算机有着先天的成长优势，双重buff的叠加也使得它很快被推上神坛。

Hartmut Neven

当然我们也要辩证的来看这件事，并不是所有人都买量子芯片的账。

刚刚处于初期的量子计算机固然看上去来势汹汹，但新生事物总会经历一段野蛮生长的阶段，这个从无到有，从有到稳的过程一定会经历一些爆发式的增长。

现有的计算机也不是吃素的，它们同样在快速发展，Neven 提出的双重指数是否真能长期应验也没人说的准。但是毋庸置疑的是，真正的量子时代已经在路上。

参考资料:

https://www.livescience.com/65651-quantum-computers-get-scary-fast.html

https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/

https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law

编辑：拓跋猴儿