安徽合肥：國內(nèi)首條量子芯片生產(chǎn)線投運(yùn)！我們與國際先進(jìn)只差3年

安徽合肥：國內(nèi)首條量子芯片生產(chǎn)線投運(yùn)！我們與國際先進(jìn)只差3年

國內(nèi)首條量子芯片——悟空芯生產(chǎn)線，自2022年1月在安徽合肥投入運(yùn)營一年以來，已交付了多個(gè)批次的量子芯片，這種量子芯片是專門為“悟空”量子計(jì)算機(jī)配套的。

量子計(jì)算機(jī)“悟空”

量子計(jì)算，我們哪里行？

量子計(jì)算大家經(jīng)常聽到，并不陌生，但是量子芯片是什么呢？簡單講就是量子計(jì)算機(jī)的“大腦”。有人覺得這會(huì)不會(huì)又是騙經(jīng)費(fèi)的項(xiàng)目呢？帶著這個(gè)疑問，我們來深度探究一下。

在說正題之前，小編先長長自家志氣，看看咱們?cè)诹孔佑?jì)算領(lǐng)域有哪些拿得出手的本領(lǐng)。提到量子計(jì)算，其實(shí)這是一個(gè)研究范圍很大的領(lǐng)域，有些方面歐美日做得不錯(cuò)，但有些方面我們則更為領(lǐng)先。

下面兩張圖表清晰地表明美國在量子算法、量子計(jì)算模型、量子比特的物理實(shí)現(xiàn)、量子計(jì)算機(jī)的核心量子糾錯(cuò)等方面要強(qiáng)于我國，但是咱們得益于量子通信的研究優(yōu)勢(shì)，在量子糾纏、量子退相干、量子傳輸協(xié)議、光量子計(jì)算等領(lǐng)域?qū)γ绹幸欢ǖ膬?yōu)勢(shì)，對(duì)主流的超導(dǎo)量子計(jì)算的攻關(guān)優(yōu)勢(shì)也較為顯著。所以不必妄自菲薄，咱還是可以的。

量子計(jì)算，我們哪里還不行？

當(dāng)然也不要盲目尊大。20世紀(jì)80年代量子計(jì)算的概念最早出現(xiàn)，物理學(xué)家保羅·貝尼奧夫奠定了量子計(jì)算的基礎(chǔ)；到了90年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家提出了量子分解算法和量子搜索算法。要知道在10年前的2013年，量子計(jì)算對(duì)于我國而言還是陌生未知的領(lǐng)域。這樣看我們與美國有著大約20年的科研和技術(shù)發(fā)展差距。但是，僅僅過了10年，我們跟世界先進(jìn)水平之間是什么關(guān)系呢？

負(fù)責(zé)“悟空”量子計(jì)算機(jī)研制的本源量子負(fù)責(zé)人郭國平給出了自己的理解。他認(rèn)為未來各國國力的競(jìng)爭(zhēng)就是算力的競(jìng)爭(zhēng)，量子計(jì)算機(jī)顛覆了傳統(tǒng)的計(jì)算方式，形象地大概比較一下，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)1秒的算力與1600臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力相當(dāng)，所以就成了“兵家必爭(zhēng)之地”。

近年來，美國以谷歌、IBM、英特爾、IonQ公司為代表的企業(yè)紛紛進(jìn)軍量子計(jì)算，所以發(fā)展迅速。作為行業(yè)龍頭企業(yè)的帶路人，郭國平理智地判斷：“我國量子計(jì)算芯片在戰(zhàn)術(shù)層面仍處于落后的位置，與國外最先進(jìn)技術(shù)有3年左右的差距，且差距有擴(kuò)大的趨勢(shì)。”這就是我們?cè)谶@場(chǎng)全球角逐中的位置。如果用數(shù)據(jù)說話的話，大家可以看一下：

■ 谷歌公司：主要致力于超導(dǎo)量子計(jì)算，2018年3月發(fā)布了72量子位的Bristlecone處理器；2019年10月谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室研制出54量子比特的可編程超導(dǎo)Sycamore處理器，宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

■ IBM公司：也致力于超導(dǎo)量子計(jì)算，宣布搞定了50量子位的計(jì)算機(jī)，并在2020年9月發(fā)布了65量子比特的Hummingbird處理器，并計(jì)劃在2021~2023年分別推出127、433、1121量子比特的處理器‘’

■ 英特爾公司：重點(diǎn)研發(fā)基于硅自旋量子比特的商用量子計(jì)算機(jī)，在2018年初交付了49量子位的超導(dǎo)測(cè)試芯片，被視為里程碑；在2019年12月公布首款低溫控制芯片Horse Ridge，能夠控制多種量子比特（超導(dǎo)量子比特和自旋量子比特）。

■ IonQ公司：重點(diǎn)探索囚禁離子量子計(jì)算，是這個(gè)路徑的領(lǐng)軍者。2020年10月公布了32量子比特的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2019 年8 月，我國浙江大學(xué)Chao Song 等人成功研制含有20 個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片，并通過該量子芯片成功實(shí)現(xiàn)了全局糾纏。

我國量子計(jì)算的行業(yè)龍頭合肥本源量子，技術(shù)力量源于中國科技大學(xué)，在2017年10月上線“本源量子計(jì)算云平臺(tái)”，采用超導(dǎo)量子芯片；并于2020年9月推出超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)——本源悟源，搭載了6比特超導(dǎo)量子處理器夸父KF C6130。

咱們能不能彎道超車？

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片研究生產(chǎn)領(lǐng)域，咱們產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄，起步又晚，所以一直在瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)水平在追趕，但是人家憑著發(fā)力早，早早占據(jù)了絕大多數(shù)的專利技術(shù)，對(duì)我國形成技術(shù)封鎖。但是傳統(tǒng)芯片目前發(fā)展速度趨緩，已經(jīng)基本快到頂了。

現(xiàn)在的量子計(jì)算芯片卻是一條新賽道，在這條賽道上，國際先進(jìn)水平并沒有落下我們多少，有的甚至我們?cè)陬I(lǐng)跑。所以郭國平中肯地講“我們現(xiàn)在是換道超車”，“不過別人也很精明，我們能想到的別人也早想到了”，“傳統(tǒng)芯片有30年的差距我們都沒放棄，如今量子芯片只有3年的差距更應(yīng)該咬得住”。

談超車尚早，但是咱們有“換道超車”的可能。這是因?yàn)榱孔佑?jì)算芯片的研制不依賴于最先進(jìn)的傳統(tǒng)芯片生產(chǎn)線，在國內(nèi)已經(jīng)成熟的生產(chǎn)線上就可以完成。由于量子計(jì)算是新玩法，雖然有美國等公司仍然在專利技術(shù)領(lǐng)域跑馬圈地，但是咱們也在努力地?cái)U(kuò)大地盤，鹿死誰手還不一定呢。比如量子本源就把未來的六大研發(fā)方向，分別是量子計(jì)算機(jī)、量子芯片、量子測(cè)控、量子軟件、量子云、量子人工智能。

如今他們?cè)凇拔蚩招尽鄙a(chǎn)線上已經(jīng)導(dǎo)入24臺(tái)有關(guān)工藝設(shè)備，孵化了3套自研專用設(shè)備，生產(chǎn)出1500多個(gè)批次流片試制的產(chǎn)品。但是郭國平卻說：功成不必在我，也許他這輩子都看不到真正的量子計(jì)算機(jī)的誕生，但是在下一次技術(shù)變革來臨的時(shí)候，中國人不要再被“卡脖子”，等后人研發(fā)出來后，別忘了給他“燒”上一臺(tái)。

硬核科普——量子芯片

量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的核心部件。目前有三種量子芯片被廣泛研究，分別是：超導(dǎo)、半導(dǎo)體和離子阱量子芯片。三種芯片各有優(yōu)劣：

■ 超導(dǎo)量子芯片：電路設(shè)計(jì)難度隨著比特?cái)?shù)增多而增大。

■ 導(dǎo)體量子芯片：計(jì)算性能不如另兩種，但完全基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝，只要科學(xué)家能在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)樣品芯片，其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)理論上不存在問題。

■ 離子阱量子芯片：計(jì)算性能優(yōu)異，但體積龐大。

超導(dǎo)量子芯片：可以利用微納加工工藝，超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)是其核心元件。中間的絕緣層厚度一般小于10納米，這樣兩塊超導(dǎo)體內(nèi)的Cooper 電子對(duì)通過隧穿效應(yīng)穿過絕緣層可以到達(dá)另一邊。器件的外界電磁偏置使兩塊超導(dǎo)體的波函數(shù)的相位差產(chǎn)生聯(lián)系，使得電子具有相當(dāng)高的橫躍此薄層量子力學(xué)的振幅。這種量子隧穿效應(yīng)可以用來制作量子器件。

約瑟夫森結(jié)

半導(dǎo)體量子芯片：就是能夠進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理量子信息過程的量子處理器，基于門控量子點(diǎn)操縱單電子自旋，是研制量子計(jì)算機(jī)的核心器件，類比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)全電控的半導(dǎo)體中央處理器（CPU）。差別在于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制的經(jīng)典比特（用晶體管高低電平表示0和1），而量子計(jì)算機(jī)采用量子比特（每個(gè)數(shù)據(jù)位用微觀量子態(tài)表示，除了可以處于0、1狀態(tài)之外，還能同時(shí)處于1和0兩種狀態(tài) 疊加態(tài)）。制備時(shí)首先通過分子束外延生長含有二維電子的基片材料；然后，通過高分辨電子束刻蝕、光學(xué)刻蝕等制備量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的圖形；最后，通過電子束蒸發(fā)金屬鍍膜，再利用金屬剝離技術(shù)，獲得半導(dǎo)體量子點(diǎn)芯片器件。

離子阱量子比特之間的相互作用力為庫侖力。在該類型芯片中，用離子的內(nèi)態(tài)能級(jí)編碼量子位，而用晶態(tài)離子的集體振動(dòng)聲子態(tài)編碼運(yùn)動(dòng)量子比特位。用于產(chǎn)生量子比特的原子就在芯片的中心位置，被激發(fā)并被電磁場(chǎng)和庫侖相互作用所束縛。在高真空中使用電磁場(chǎng)捕獲離子化的原子可形成電離后原子的勢(shì)阱。

不同構(gòu)型的離子阱結(jié)構(gòu)圖

結(jié)語

期待我國未來能在量子計(jì)算的諸多領(lǐng)域能夠換道超車成功，不再被國外卡脖子，沒準(zhǔn)反過來我們也能卡卡某些不友好國家的脖子。

參考資料，特此致謝！

1、《中美量子計(jì)算研發(fā)現(xiàn)狀對(duì)比分析及啟示》

2、《量子計(jì)算辟蹊徑 科教報(bào)國會(huì)有時(shí) ——專訪本源量子創(chuàng)始人郭國平》

3、《量子芯片的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用》