我國(guó)光量子芯片喜報(bào)頻傳，EUV光刻機(jī)成“棄子”？

猶記得18/19年的時(shí)候，國(guó)內(nèi)科技圈最流行的詞莫過(guò)于“彎道超車”，其中芯片產(chǎn)業(yè)和這個(gè)詞結(jié)合的最緊密且最頻繁。時(shí)至今日，當(dāng)越來(lái)越多的國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體公司沉下心做芯片的時(shí)候，“彎道超車”這個(gè)詞反而提的不那么勤了。大概是因?yàn)?，學(xué)到知羞處，方知藝不精。
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國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)被美政府針對(duì)之后，短板完全暴露出來(lái)，EDA設(shè)計(jì)軟件、半導(dǎo)體材料、EUV光刻機(jī)等紛紛成為了“卡脖子”環(huán)節(jié)。在美政府“槍打出頭鳥”的方針下，大部分有志向的半導(dǎo)體企業(yè)都選擇韜光養(yǎng)晦、臥薪嘗膽式的發(fā)展策略。
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國(guó)產(chǎn)芯片的產(chǎn)業(yè)姿態(tài)這一兩年確實(shí)放的很低，但“彎道超車”這個(gè)想法和實(shí)踐實(shí)際上一刻也沒(méi)有斷過(guò)，通過(guò)量子通信技術(shù)改變傳統(tǒng)芯片產(chǎn)業(yè)生態(tài)就是一個(gè)很重要的嘗試。
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郭光燦院士團(tuán)隊(duì)新進(jìn)展

近日，中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子存儲(chǔ)及量子網(wǎng)絡(luò)研究中取得原創(chuàng)性進(jìn)展，該成果于7月19日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·通訊》上。從細(xì)節(jié)上看，該成果是一份光子回波方面的創(chuàng)新，申請(qǐng)了“無(wú)噪聲光子回波”的發(fā)明專利，能夠用于我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性量子存儲(chǔ)方案。
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在實(shí)現(xiàn)方式上，該方案創(chuàng)造性地結(jié)合了不同頻的控制脈沖以及兩次重聚過(guò)程，使得發(fā)射光子回波的上能級(jí)與殘留布居的上能級(jí)是不同能級(jí)，所以可通過(guò)頻譜濾波嚴(yán)格消除自發(fā)輻射噪聲，解決了光子回波發(fā)射的上能級(jí)與殘留布居的上能級(jí)是同一能級(jí)必然被污染的問(wèn)題，讓該技術(shù)能夠用于量子領(lǐng)域。
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《自然·通訊》審稿人認(rèn)為，該方案是通往高性能量子存儲(chǔ)器的一項(xiàng)重要進(jìn)展。
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全新的芯片賽道

一直以來(lái)，量子芯片被認(rèn)為是國(guó)產(chǎn)芯片不容錯(cuò)過(guò)的歷史性機(jī)遇。從定義上，量子芯片就是將量子線路集成在基片上，進(jìn)而承載量子信息處理的功能，被認(rèn)為是“未來(lái)計(jì)算機(jī)”的“大腦”。當(dāng)然，傳統(tǒng)芯片向量子芯片的轉(zhuǎn)變并非是一蹴而就的，期間經(jīng)歷了多個(gè)階段。
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首先是半導(dǎo)體量子點(diǎn)技術(shù)的提出。半導(dǎo)體量子點(diǎn)的核心理論是一個(gè)單量子比特邏輯門操控和一個(gè)兩量子比特受控非門可以組合任意一個(gè)普適量子邏輯門操控，這種方式具有操控方便、速度超快、可集成化、并兼容傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子技術(shù)等重要優(yōu)點(diǎn)，為研制實(shí)用化半導(dǎo)體量子計(jì)算打下了基礎(chǔ)。
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不過(guò)，半導(dǎo)體量子點(diǎn)技術(shù)也有弊端，其是利用相鄰量子點(diǎn)量子比特之間的交換相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)多比特的量子邏輯門操作，非近鄰量子比特之間的邏輯門操作需要通過(guò)一系列近鄰門操作組合完成，這大大增加了計(jì)算過(guò)程中邏輯門操作的數(shù)量和難度。
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在半導(dǎo)體量子點(diǎn)之后，超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)成為了主流。后者采用超導(dǎo)傳輸諧振腔等概念來(lái)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子點(diǎn)非近鄰量子比特耦合的量子數(shù)據(jù)總線，解決了非相鄰量子點(diǎn)之間的信息傳輸問(wèn)題。
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目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)在致力于將超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈完全打通。前不久，合肥本源量子與合肥晶合集成電路公司簽署合作協(xié)議，雙方將共同建設(shè)本源-晶合量子芯片聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，致力于實(shí)現(xiàn)從量子芯片設(shè)計(jì)到封裝測(cè)試的全鏈條開發(fā)。目前，該公司已經(jīng)推出了兩款超導(dǎo)量子芯片，分別是6比特的夸父KF C6-130和24比特的夸父KF C24-300。
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然后回到我們本文的主題，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)“無(wú)噪聲光子回波”技術(shù)推動(dòng)了光量子比特在量子存儲(chǔ)方面的進(jìn)步，為光量子芯片的實(shí)現(xiàn)掃清了又一個(gè)重要障礙。量子有很多晦澀難懂的理論，包括量子疊加、量子坍塌和量子糾纏等等。其中，量子計(jì)算要實(shí)現(xiàn)信息處理就需要實(shí)現(xiàn)量子糾纏，而且糾纏的數(shù)量越多越好。而量子存儲(chǔ)則是通過(guò)光量子來(lái)傳輸信息，通過(guò)原子來(lái)存儲(chǔ)信息，基于光量子回波技術(shù)的存儲(chǔ)主要是利用受控可逆非均勻展寬的原理，介質(zhì)在完全吸收光信號(hào)之后，一段時(shí)間后釋放出相同量子態(tài)的回波信號(hào)。而原來(lái)的方案必然會(huì)出現(xiàn)噪聲污染的問(wèn)題，最終導(dǎo)致信息失真，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)正是解決了這個(gè)難題。
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近幾年，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光量子芯片領(lǐng)域?qū)耀@突破。就在前不久，該團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表研究成果，基于光子能谷霍爾效應(yīng)，在能谷相關(guān)拓?fù)浣^緣體芯片結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了量子干涉。
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除了郭光燦院士團(tuán)隊(duì)，上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)也是我國(guó)光量子芯片領(lǐng)域的代表團(tuán)隊(duì)。也是在數(shù)天前，金賢敏團(tuán)隊(duì)提出了首個(gè)基于光子集成芯片的物理系統(tǒng)可擴(kuò)展的專用光量子計(jì)算方案，并首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了“快速到達(dá)”問(wèn)題的量子加速算法。
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隨著光量子技術(shù)路線上的難題一個(gè)個(gè)攻破，芯片產(chǎn)業(yè)有望打造出一條不再需要EUV光刻機(jī)的演進(jìn)路線。在此，需要提到光量子芯片和電子芯片的差別。電子芯片的推進(jìn)是將晶體管越做越小，追求在單位芯片面積上實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能，因此電子芯片制造工藝會(huì)沿著14nm、10nm、7nm、5nm一直向下延伸。而到了7nm及以下工藝時(shí)，EUV光刻機(jī)是不可或缺的，因此當(dāng)EUV光刻機(jī)成為“卡脖子”環(huán)節(jié)后，我國(guó)在電子芯片制造領(lǐng)域是無(wú)法進(jìn)入7nm以下的。
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與之相比，光量子芯片本身由于傳輸介質(zhì)原因，會(huì)具有高速度、低功耗和抗干擾的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)光量子芯片并不追求極限的先進(jìn)制造工藝，成熟工藝就能夠發(fā)揮出系統(tǒng)高性能的優(yōu)勢(shì)，在計(jì)算、傳輸、存儲(chǔ)和顯示等領(lǐng)域被廣泛看好。
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從概念到落地

量子通信技術(shù)在我國(guó)受到高度重視，而目前大部分的研究都是基于量子糾纏理論的光量子通信技術(shù)。學(xué)術(shù)端一次又一次從技術(shù)角度解決了光量子相關(guān)的技術(shù)難題，但要實(shí)現(xiàn)落地還是需要產(chǎn)業(yè)界的參與。
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從進(jìn)度來(lái)看，目前我國(guó)在量子保密通信領(lǐng)域已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2017 年 9 月，全球首條量子保密通信干線——京滬干線就已經(jīng)正式開通。未來(lái)，這樣的通信保密技術(shù)將在軍民領(lǐng)域發(fā)展巨大作用。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一大批上市公司被納入“量子通信”概念股，包括亞光科技、國(guó)盾電子、亨通光電和中國(guó)長(zhǎng)城等。
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而在芯片領(lǐng)域，我們已經(jīng)看到了光量子芯片的潛力，看到了一種“彎道超車”的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，也有人說(shuō)當(dāng)大家都在高速運(yùn)行時(shí)，彎道是不能超車的，換道才可以。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)在沉心做量子芯片，如若這些企業(yè)的愿景最終實(shí)現(xiàn)了，那么我們確實(shí)開辟出了一道新的賽道。