提高量子計(jì)算實(shí)用性，量子芯片是芯片技術(shù)的新出路嗎？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）不久前，英特爾正式發(fā)布了一款硅自旋量子芯片，命名為“Tunnel Falls”。這也是繼去年10月英特爾宣布成功以現(xiàn)有硅半導(dǎo)體技術(shù)生產(chǎn)自旋量子計(jì)算芯片之后發(fā)布的迄今為止最先進(jìn)的硅自旋量子比特芯片。進(jìn)展頻頻的量子計(jì)算芯片又朝前突破了一步。

說(shuō)起量子計(jì)算，很多人都會(huì)覺(jué)得這一技術(shù)目前有些天馬行空，起碼離真正應(yīng)用還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。誠(chéng)然目前離量子計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景落地還有一定距離，但國(guó)內(nèi)不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都加快了量子計(jì)算方面的研究。

量子計(jì)算如何有望成為改變世界的技術(shù)？

量子計(jì)算是一種基于量子力學(xué)原理的計(jì)算技術(shù)，利用量子疊加和量子糾纏等量子物理特性執(zhí)行計(jì)算。傳統(tǒng)的晶體管使用二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼0和1表示不同的狀態(tài)，如同硬幣的正反面。而到了量子物理中，這枚硬幣是旋轉(zhuǎn)的，處于0和1的連續(xù)態(tài)空間內(nèi)，具有疊加態(tài)和糾纏態(tài)等獨(dú)特性質(zhì)。區(qū)別于經(jīng)典計(jì)算中的二進(jìn)制位，量子計(jì)算中這一最小單元被稱為量子比特。

二進(jìn)制位只能明確的表示0或者1，而量子比特不同，在旋轉(zhuǎn)中它能表示0和1疊加的狀態(tài)，每次添加一個(gè)量子位的信息，都會(huì)以指數(shù)方式增加添加的狀態(tài)數(shù)量。利用量子比特的疊加態(tài)和糾纏態(tài)，將多個(gè)量子比特放在一起，這些疊加狀態(tài)之間又互有關(guān)聯(lián)，就能存儲(chǔ)和計(jì)算更多的數(shù)據(jù)。

量子計(jì)算快速處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力能夠解決一些經(jīng)典計(jì)算難以解決的問(wèn)題。密碼學(xué)是最早提出的量子計(jì)算應(yīng)用之一，量子系統(tǒng)能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)解除加密信息，同樣的計(jì)算交給超級(jí)計(jì)算機(jī)仍舊需要花費(fèi)大量時(shí)間。

目前有不少方法可以制造量子位或單個(gè)量子計(jì)算設(shè)備，如超導(dǎo)量子比特、離子阱量子比特、量子點(diǎn)量子比特等。離子阱量子比特是通過(guò)激光來(lái)操縱金屬原子的激發(fā)態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，原理類似于2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的粒子控制。超導(dǎo)量子比特使用超導(dǎo)回路和約瑟夫遜結(jié)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)非線性LC振蕩器電路，其中振蕩器的兩個(gè)狀態(tài)代表量子位的0/1。量子點(diǎn)量子比特則是使用硅量子點(diǎn)在硅器件中用單個(gè)電子編碼量子位的狀態(tài)，英特爾Tunnel Falls就是基于這種技術(shù)。

雖然如今的量子系統(tǒng)僅包含數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)糾纏量子位，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題。商用量子系統(tǒng)起碼需要擴(kuò)展到100多萬(wàn)量子位才能真正實(shí)用起來(lái)，而且還有量子位的脆弱性和軟件的可編程性等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

但是和傳統(tǒng)計(jì)算硬件一樣，新技術(shù)新硬件一旦突破，顛覆性的算力革新會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速拉開差距。這項(xiàng)能夠改變世界的技術(shù)在眾多從業(yè)者的堅(jiān)持下正朝著更多的量子比特?cái)?shù)前進(jìn)。

量子計(jì)算核心—量子芯片

根據(jù)MarketsandMarkets最新報(bào)告顯示，全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)2023年將達(dá)到8.66億美元，到2028年將達(dá)到43.75億美元。從2023年至2028年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為38.3%，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)正在加速發(fā)展。

量子計(jì)算這種從根本上完全不同于現(xiàn)在計(jì)算邏輯的計(jì)算方式，需要從硬件、架構(gòu)、編譯器、應(yīng)用程序、分類各方面進(jìn)行研究，才能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算系統(tǒng)的全部潛力。其中量子芯片是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算最基礎(chǔ)的核心器件。

目前超導(dǎo)量子芯片是占據(jù)較大市場(chǎng)份的技術(shù)路線，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在低功耗、高速度、低溫工作能力以及易于控制幾方面，IBM、亞馬遜、谷歌、華為、阿里巴巴等科技巨頭都選擇的是這條路線。

去年年末，IBM就推出了最新的超導(dǎo)量子處理器Osprey，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，該芯片是目前公開的超導(dǎo)量子芯片比特?cái)?shù)最高的，共433個(gè)量子比特，有413個(gè)可以訪問(wèn)，量子芯片比特?cái)?shù)穩(wěn)步提升。IMEC涉足的技術(shù)路線很廣，在12寸晶圓線上制造的超導(dǎo)量子芯片在相干時(shí)間性能上也取得了極大的提升，幾乎可以達(dá)到學(xué)術(shù)界的理論最佳水平。

國(guó)內(nèi)本源量子已公開的超導(dǎo)量子芯片夸父KF-C24-100是24位量子比特芯片，利用成熟的納米加工技術(shù)和精確設(shè)計(jì)的脈沖序列，可以實(shí)現(xiàn)高保真度的量子邏輯門操作。華為則在去年公布了一項(xiàng)“超導(dǎo)量子芯片”的專利，解決了量子比特的串?dāng)_現(xiàn)象、降低信號(hào)噪聲等問(wèn)題，在超導(dǎo)量子芯片領(lǐng)域取得了實(shí)質(zhì)性突破。浙大超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的“天目”、“莫干”超導(dǎo)量子芯片系列則在今年公開一款全新的超導(dǎo)量子芯片，平均相干時(shí)間達(dá)到了100微秒，位居行業(yè)領(lǐng)先水平。

圖源：本源量子

離子阱量子芯片這一路線在保真度上很高，在計(jì)算準(zhǔn)確性上有保障，但是線性阱尺度一直制約著芯片量子比特?cái)?shù)的拓展。

霍尼韋爾旗下的Quantinuum今年發(fā)布的QV達(dá)65536的H2量子計(jì)算機(jī)其中的離子阱量子芯片包含32個(gè)完全連接的高保真量子比特，并首次創(chuàng)建了非阿貝爾拓?fù)淞孔游镔|(zhì)，大幅提升了通用容錯(cuò)量子計(jì)算能力。IonQ同樣在今年發(fā)布的離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)所用芯片量子比特則達(dá)到了25。半導(dǎo)體巨頭英飛凌也與eleQtron合作，開始布局離子阱量子處理器。

國(guó)內(nèi)啟科量子和華翊量子同樣在離子阱路線上耕耘已久，根據(jù)旗下量子計(jì)算機(jī)的性能汆熟來(lái)看，各項(xiàng)性能指標(biāo)均已達(dá)到預(yù)期，部分性能指標(biāo)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

硅量子點(diǎn)量子芯片，其優(yōu)勢(shì)在于能與成熟的CMOS工藝兼容，更方便實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。與超導(dǎo)形成的量子點(diǎn)相比，硅自旋形成的量子點(diǎn)小一百萬(wàn)倍，甚至更小。這種技術(shù)可以將數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億個(gè)硅量子點(diǎn)打包到一個(gè)類似于先進(jìn)微處理器的區(qū)域上。然后利用已成熟的晶體管制造設(shè)備使這些器件確保各個(gè)量子比特相互匹配。

這一路線上最領(lǐng)先的無(wú)疑是英特爾，利用英特爾最先進(jìn)的晶體管工業(yè)制造能力如EUV以及柵極和接觸處理技術(shù)在12英寸晶圓線上制造的這款Tunnel Falls有著12位量子比特?cái)?shù)，是目前最先進(jìn)的硅自旋量子比特芯片，基于Tunnel Falls的下一代量子芯片，預(yù)計(jì)英特爾將于2024年發(fā)布。

國(guó)內(nèi)中科大、本源量子也在聯(lián)手進(jìn)行硅自旋量子比特的研究，目前已大幅提升了自旋量子比特的性能。

還有光量子這一技術(shù)路線，光量子計(jì)算芯片領(lǐng)域Xanadu、PSI Quamtum、圖靈量子、 國(guó)盾量子在近一年內(nèi)也均了階段性成果。

寫在最后

從量子計(jì)算的賽道來(lái)看，無(wú)論哪種方案都在不斷研發(fā)取得進(jìn)展，現(xiàn)在敲定哪種技術(shù)能夠成為最后贏家還言之尚早，不少廠商還進(jìn)行了多路線布局。與量子計(jì)算相關(guān)的光電器件、量子算法和IDE都在持續(xù)摸索階段。硬件、架構(gòu)、編譯器、應(yīng)用程序、分類各方面的持續(xù)更新積累才能最終發(fā)揮量子計(jì)算的全部潛力。

量子芯片另起爐灶，完全不依賴現(xiàn)有的硅基芯片產(chǎn)業(yè)鏈，在這條全新的產(chǎn)業(yè)鏈上目前各地區(qū)各廠商都在不遺余力地進(jìn)行軍備競(jìng)賽，可以說(shuō)誰(shuí)先完成技術(shù)突破，率先推進(jìn)量子芯片落地商用，誰(shuí)就將在未來(lái)取得芯片技術(shù)的主導(dǎo)權(quán)。