21、原子尺度计算与量子计算的挑战与机遇

原子尺度计算与量子计算的挑战与机遇

1. 大数定律在原子尺度系统设计中的应用

在原子尺度进行计算设计和工程需要改变保证组件和系统行为的方式。传统上，我们依赖器件层面以下的“大数定律”效应来生产可靠制造且性能可靠的器件，但在原子尺度，这种方法不再可行。我们可能无法确定性地指定原子尺度结构的构建方式，可能不得不构建规则结构，并接受原子尺度上的差异本质上是统计性的。

不过，我们仍可利用“大数定律”统计技术来构建可靠的组件和系统，只需在器件层面以上应用这些技术。例如，结合大数定律的统计良品率、分化性与可编程性，是构建纳米级器件的有力工具，尽管我们无法保证单个器件的良品率或资源的精确放置与选择。大数统计分化性为构建系统的总体结构和实现足够独特的纳米级寻址提供了强大的特性。利用这种访问能力和制造后的交叉点可配置性，我们可以测试和编程设备，以避开有缺陷的部分，使其以期望的、确定性的方式运行。

传统的系统堆栈包括：
1. 可靠的器件
2. 门电路
3. 互连门电路和存储器的完美且确定性的制造
4. 可靠的架构抽象
5. 假设硬件完美的软件

为了接近原子尺度，我们必须放宽对完美制造和可靠器件的期望，这必然会使缺陷和故障效应在系统堆栈的更高层次显现出来。在这些更高层次，我们可以将大量资源（如器件、门电路、导线、存储单元）组合在一起，利用大数定律效应来确保整体计算的完整性。修订后的系统堆栈可能如下：
1. 统计性器件
2. 故障检测和纠正电路
3. 器件和互连组件的统计性制造
4. 制造后配置和纠正
5. 对底层硬件持怀疑态度的软件

2. 量子计算的基本概念 <