下一個(gè)芯片的扛把子會(huì)是量子芯片嗎？

隨著硅基芯片進(jìn)入10nm以下，越來(lái)越接近物理極限，摩爾規(guī)律即將在硅基芯片上失效。芯片的出路在何方？目前全球主要有兩種下一代芯片在研：碳基芯片和量子芯片。

2020年5月26日我國(guó)北大彭練矛和團(tuán)隊(duì)宣布碳基芯片半導(dǎo)體制備材料取得關(guān)鍵性突破；8月25日中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的朱曉波教授對(duì)外宣布，中國(guó)科大今年預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)60量子比特的超導(dǎo)量子系統(tǒng)，并且有望在5年后實(shí)現(xiàn)千個(gè)量子比特的系統(tǒng)。

如果說(shuō)硅基芯片是馬車；那碳基芯片就是汽車；量子芯片既不是高鐵、也不是飛機(jī)，而是火箭！所以，量子計(jì)算機(jī)，又被美國(guó)科學(xué)家賦予個(gè)新的稱號(hào)：“量子霸權(quán)”。碳基芯片

碳基芯片相對(duì)傳統(tǒng)的硅基芯片成本更低、功耗更小、性能更佳。美國(guó)的麻省理工學(xué)院和中國(guó)的北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)作為碳基芯片研發(fā)的第一梯隊(duì)，都在今年取得了突破成果。

2020年6月1日，麻省理工學(xué)院（簡(jiǎn)稱 MIT）電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系助理教授馬克斯·舒拉克，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了題為《在商用硅制造設(shè)施中制造碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管》的論文。改進(jìn)了一種將襯底浸沒(méi)在納米管溶液的沉積技術(shù)，從而讓工業(yè)設(shè)備制造碳管成為可能?？芍苯永矛F(xiàn)有的硅基芯片產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行制備（如光刻機(jī)和EDA軟件），實(shí)現(xiàn)了碳基芯片制備工藝與現(xiàn)有硅基芯片的兼容，可以更快產(chǎn)業(yè)化，但MIT的碳基芯片制備技術(shù)，目前所取得的成績(jī)僅相當(dāng)于30年前的硅基芯片性能，離真正的取代硅基芯片，還相差甚遠(yuǎn)。

北大團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)大面積制備碳納米管排列工藝，性能超硅芯，但產(chǎn)業(yè)鏈形成還需時(shí)日

北大彭練矛團(tuán)隊(duì)就開(kāi)發(fā)了一種全新的提純和自組裝方法，可以制備出高密度、高純半導(dǎo)體陣列的碳納米管材料，在此基礎(chǔ)上還首次實(shí)現(xiàn)性能超越同等柵長(zhǎng)硅基 CMOS 技術(shù)的晶體管和電路（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的縮寫，是指制造大規(guī)模集成電路芯片所采用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來(lái)的芯片，是電腦主板上的一塊可讀寫的并行或串行FLASH芯片），首次制備出性能超越同等柵長(zhǎng)硅基CMOS技術(shù)的碳納米管陣列，純度高達(dá)99.9999%。

團(tuán)隊(duì)成功制備出的5nm柵極碳納米管COMS器件，速度相當(dāng)于兩倍英特爾最新商用硅晶體管，能耗卻只有其四分之一，展示出了10nm以下碳基芯片的巨大商用價(jià)值，性能遠(yuǎn)超MIT的研究，但采用了全新的制備方式，因此整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈需要重建，商業(yè)化還需時(shí)日。

碳基技術(shù)在將來(lái)可以應(yīng)用于國(guó)防科技、衛(wèi)星導(dǎo)航、氣象監(jiān)測(cè)、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域，如果我國(guó)能在碳基芯片的制備技術(shù)上走出自己的產(chǎn)業(yè)化之路，那未來(lái)芯片產(chǎn)業(yè)就不必受制于人，彎道超車，走上芯片制造的制高點(diǎn)也未可知。

實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”可以將人類直接帶入科學(xué)的下個(gè)維度，屆時(shí)計(jì)算機(jī)的能力將遠(yuǎn)超人類自身。

但量子芯片領(lǐng)域離商業(yè)化還很遙遠(yuǎn)，目前還需靠碳基芯片維持現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈的過(guò)渡。

量子芯片

碳基芯片只能說(shuō)是在現(xiàn)有的芯片體系上繼續(xù)延續(xù)“摩爾規(guī)律”，由碳基芯片接棒硅基芯片，而量子芯片的出現(xiàn)，則超越了摩爾規(guī)律。

微軟曾公開(kāi)表達(dá)過(guò)，其希望成為量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。在過(guò)去20幾年來(lái)也一直致力于量子計(jì)算的發(fā)展，每年投入大量的資金用于開(kāi)發(fā)量子計(jì)算。據(jù)報(bào)道2018年6月開(kāi)始，微軟陸續(xù)挖走了高通的工程師，為研發(fā)承受低溫的量子計(jì)算芯片招兵買馬，早些時(shí)候，微軟的量子計(jì)算機(jī)研究還從研究部門獨(dú)立。2018年微軟全公司的研發(fā)費(fèi)用達(dá)到147億美元，其中開(kāi)發(fā)量子計(jì)算每年大概花費(fèi)10億美元。近幾年，IBM、英特爾和谷歌等公司都在量子計(jì)算項(xiàng)目投入巨大。

量子計(jì)算機(jī)的原理

經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基本原理是利用二進(jìn)制來(lái)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算機(jī)利用電子管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)分別代表二進(jìn)制的0和1，因此電子管數(shù)量越多（開(kāi)關(guān)越多），則能代表的二進(jìn)制數(shù)值越多，相應(yīng)的計(jì)算能力就越強(qiáng)。目前晶體管已經(jīng)進(jìn)入了7nm級(jí)以下的時(shí)代，在指甲蓋大小的面積上可以分布數(shù)十億晶體管。量子計(jì)算這一概念是物理學(xué)費(fèi)曼引入的，隨著當(dāng)前半導(dǎo)體的小型化愈到極限，芯片的電路元件尺寸縮小到納米尺度時(shí)，量子力學(xué)效應(yīng)會(huì)終結(jié)當(dāng)前的摩爾規(guī)律。

在量子計(jì)算機(jī)中，由于量子處于疊加態(tài)，每個(gè)比特單位既可以是1，可以是0，也可以是1又是0，而傳統(tǒng)晶體管只能是0或1的狀態(tài)。通俗而言，按照量子論，物體從A能直接到達(dá)B且不經(jīng)過(guò)A和B中的任何一個(gè)點(diǎn)，即物體在A點(diǎn)消失的同時(shí)在B點(diǎn)出現(xiàn)。薛定諤的貓是關(guān)于量子理論的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，在揭開(kāi)蓋子前，我們永遠(yuǎn)也不確定貓的死活，它將永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)。

傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)一個(gè)比特只能代表一個(gè)狀態(tài)，而量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)比特可以是2^N個(gè)數(shù)，隨著數(shù)量的增加，其存儲(chǔ)能力呈指數(shù)級(jí)上升，例如一個(gè)250量子比特的存儲(chǔ)器（由250個(gè)原子構(gòu)成）可能存儲(chǔ)的數(shù)值達(dá)2^250，比宇宙中已知的全部原子數(shù)目還多。

2017年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授宣布：研究團(tuán)隊(duì)在2016年首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)；

2018年12月，在中國(guó)合肥誕生首款量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)OriginQ Quantum AIO；

2019年1月，IBM拉斯維加斯國(guó)際消費(fèi)電子展上首次公開(kāi)了世界上第一臺(tái)集成量子計(jì)算系統(tǒng)：IBM Q System One，將全球最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)集成到一個(gè)9英尺的玻璃立方體內(nèi)，目前這類量子計(jì)算機(jī)仍僅分散地存在于研究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。IBM的客戶可以通過(guò)付費(fèi)在公司的設(shè)備上運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)，來(lái)處理他們的內(nèi)部計(jì)算。

2019年9月谷歌以53個(gè)量子比特，讓量子系統(tǒng)花費(fèi)約200秒完成傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要1萬(wàn)年才能完成的任務(wù)，表示成功實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

2020年8月28日，谷歌成功用12個(gè)量子比特模擬了二氮烯的異構(gòu)化反應(yīng)。這意味著用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，可以還原化學(xué)反應(yīng)，創(chuàng)造一個(gè)完全數(shù)字化的復(fù)雜世界。

2020年8月25日，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的朱曉波教授對(duì)外宣布，中國(guó)科大今年預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)60量子比特的超導(dǎo)量子系統(tǒng)，并且有望在5年后實(shí)現(xiàn)千個(gè)量子比特的系統(tǒng)。

2020年9月21號(hào)，紫光國(guó)微造出全球第一片超級(jí)量子5G芯片，作為清華大學(xué)旗下科研企業(yè)第二次突破量子空間限制，打造出更安全的國(guó)產(chǎn)芯片

未來(lái)10年期的目標(biāo)，即一百萬(wàn)比特量子計(jì)算機(jī)，保真度99.8%，和谷歌相同。

量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)條件非?？量?，通常必須將其冷卻到極低的溫度，以避免其存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)（量子比特）受到不必要的干擾。在處理普通計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的計(jì)算方面很有用。目前，這些機(jī)器都是高度定制的機(jī)器，幾乎沒(méi)有人知道如何編程，而且在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難了，要看到量子計(jì)算的回報(bào)還需時(shí)日，正如Bennett教授所說(shuō)，”現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)只是一個(gè)玩具，真正做到有實(shí)用價(jià)值的也許是5年，10年，甚至是50年以后”。

著名科幻作家邁克爾·克萊頓，在科幻小說(shuō)《時(shí)間線》中曾嘗試用文學(xué)的筆調(diào)來(lái)想象量子計(jì)算的神奇。雖然小說(shuō)中有些說(shuō)法也并不科學(xué)，但克萊頓預(yù)言的量子“并行計(jì)算”的強(qiáng)大潛力和美好前景如今正在現(xiàn)實(shí)世界中一步步得到印證。感興趣的小伙伴們可以去看看哦~

2019年，日本發(fā)布《從全球?qū)＠貓D看量子技術(shù)2.0》，該報(bào)告統(tǒng)計(jì)了目前量子技術(shù)2.0專利的現(xiàn)狀。其中一共涉及的專利數(shù)量是4088件，中國(guó)擁有的專利為1387件、其次是美國(guó)的921件，然后是日本的657件，剩下主要是歐洲國(guó)家。從專利數(shù)量上來(lái)看，中國(guó)已經(jīng)甩開(kāi)歐美日等技術(shù)強(qiáng)國(guó)一大截。

量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性，要使量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，一個(gè)核心問(wèn)題就是克服消相干，迄今為止，世界上還沒(méi)有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，但各個(gè)實(shí)驗(yàn)室都仍在努力中。于現(xiàn)狀而言，中國(guó)大有可能在量子芯片上有所發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)芯片自由。

至于量子黑科技何時(shí)能真正的從理論走向現(xiàn)實(shí)，敬請(qǐng)期待~

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