光子芯片时代！人类正处于算力真正爆发的前夜

读创/深圳商报驻穗记者 姚嘉莉

电子芯片结构的极限将是做成小到不能再小了的原子吗？以光子代替电子的光子芯片是否能够以全新的方式传输、计算和处理信息，为人类文明开启一个光子芯片驱动的先进智算时代？近日，由广州市科技局主办，广东科学中心等承办的第106期珠江科学大讲堂在广东科学中心学术交流中心举行。上海交通大学教授、图灵量子创始人及CEO金贤敏作客大讲堂为大家带来了《光子芯片时代》。

广东科学中心供图

金贤敏介绍，在数千年前的古希腊、古埃及时代，人们计算数字一度是用石块来计数。算盘最早是古波斯发明的，传到中国后发扬光大。诗人拜伦的女儿是人类历史上的第一位程序员，第一个使用手摇机器去执行计算任务的人。世界上第一台真正的电子计算机诞生于1946年的宾夕法尼亚大学。当时的计算机，大约有三十多吨，占地几十个平方，如同一堵墙一样，但这已经是完整的可编程的电子计算机。

集成电路的出现大大缩小了电子计算机。1958年诞生了第一个电子芯片。当时的电路结构还非常简单，发明者基尔也因此获得了诺贝尔奖。如今，电子线路正在被做成小到不能再小的原子级别。再往后，人类的计算能力如何延续，成为一个严峻的挑战。

人类计算能力和文明就此要停止了么？金贤敏说，如果算力无法提升，那么数十年后的人们所使用的，可能依然是现在的手机。更重要的是，掌握了更高算力的社会，会对低算力社会在各个方面形成碾压般的代差。

“最近流行的ChatGPT可能会带来一场新的工业革命，用足够的算力去提升AI，这是一种大规模暴力美学迎来的奇点。一方面是数据和计算需求爆发式增长，另一方面则是算力的供应严重不足，形成了巨大的矛盾。”金贤敏指出，随着人工智能时代的到来，人类对于算力的要求越来越高。

广东科学中心供图

量子力学的出现，让人类开始瞄准微观世界的基本粒子，追逐更强算力。金贤敏曾参与并完成了世界首个室外环境下的也是最远距离的量子隐形传态，论证了量子科学卫星的可行性，并入选“2010年中国十大科技进展”。金贤敏说，后摩尔时代的挑战和新机遇：人工智能光子处理器、光量子计算和光子计算等新型的计算方式，可能为人类带来新的计算时代。50个光子的算力等同于1个“天河”二号超级计算机，51个光子的算力就可以是“天河二号”的一倍，52个光子则达到了4倍，60个光子的算力整整超越了天河二号的1024倍。

“如果达到了240个光子的量子信息单元，蕴含的所有排列组合、所能表达的信息状态数量，等同于宇宙中所有原子的总和。这样的计算机却只需要占用几十平方米的空间。”金贤敏说，人类正处于算力真正爆发的前夜。

金贤敏说，第一次量子革命实现了系综级量子操控，包括了原子弹、核电站、激光、原子钟等领域。第二次量子革命实现了单量子态操纵，让人类高精度、远距离、大规模操纵单量子态成为可能，并且这一革命已经接近产业化阶段。目前，光子芯片的制备技术有飞秒激光直写技术、铌酸锂薄膜（LNOI）光子芯片技术等。未来的量子计算机有望在搜索、排序、优化等问题上实现应用。即使对于其中一个特定问题，量子计算机带来的绝对能力差别以及形成的冲击非常巨大，可能给国家以及跨国公司之间的竞争带来洗牌效应。中国正在筹划自己的量子专项。

审读：乔会青