量子計(jì)算芯片與傳統(tǒng)芯片有何不同

與非網(wǎng)：量子芯片作為量子計(jì)算機(jī)最核心的部分，是執(zhí)行量子計(jì)算和量子信息處理的硬件裝置。但由于量子計(jì)算遵循量子力學(xué)的規(guī)律和屬性，傳統(tǒng)的經(jīng)典集成電路芯片而言，量子芯片在材料、工藝、設(shè)計(jì)、制造、封測等方面的要求和實(shí)現(xiàn)路徑上都存在一定差異。

兩種主流實(shí)現(xiàn)方式

經(jīng)典集成電路芯片通過一個(gè)個(gè)晶體管構(gòu)建經(jīng)典比特，二進(jìn)制信息單元即經(jīng)典比特，基于半導(dǎo)體制造工藝，采用硅、砷化鎵、鍺等半導(dǎo)體作為材料。而量子芯片采用 2 個(gè)量子狀態(tài)來疊加及糾纏，用以執(zhí)行以量子比特為基礎(chǔ)的運(yùn)算，因此只要物質(zhì)的物理性質(zhì)具有兩個(gè)易于操作的量子態(tài)，都有可能成為量子比特的制作基礎(chǔ)，類似經(jīng)典集成電路芯片中高低電平代表的“1”與“0”。

根據(jù)構(gòu)建量子比特所采用的不同物理體系，量子比特在物理實(shí)現(xiàn)方式上包括超導(dǎo)量子電路、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、離子阱、金剛石空位、拓?fù)淞孔?、光子等。開發(fā)與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝兼容的電控量子芯片是量子計(jì)算機(jī)研制的重要方向之一，半導(dǎo)體量子點(diǎn)和超導(dǎo)量子電路技術(shù)被視為最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成量子信息處理器的物理方案。

經(jīng)典集成電路芯片包括數(shù)字和模擬芯片，量子芯片可以視為一種模擬芯片，主要采用的制程在 100nm 左右，但與經(jīng)典集成電路芯片最大的不同在于制造的工藝與材料不同。

其中，超導(dǎo)量子芯片利用約瑟夫森結(jié)構(gòu)成的超導(dǎo)電路來實(shí)現(xiàn)二能級(jí)系統(tǒng)，主流材料是鋁，通過在鋁膜上刻蝕電路形狀，用微波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。半導(dǎo)體量子芯片是在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體微電子制造工藝基礎(chǔ)上，尋找到能夠?qū)崿F(xiàn)控制的電子，通過控制電子的多個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)二能級(jí)系統(tǒng)。

半導(dǎo)體量子芯片可以很好地結(jié)合和利用現(xiàn)代成熟的半導(dǎo)體微電子制造工藝，通過純電控的方式制備、操控與讀取量子比特更具靈活性。與現(xiàn)代大規(guī)模集成電路類似，半導(dǎo)體量子芯片具有良好的可擴(kuò)展、可集成特性，被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化量子計(jì)算的最佳候選體系之一。

超導(dǎo)量子芯片具有如下優(yōu)勢：一是操作數(shù)大，超導(dǎo)量子比特相干時(shí)間長，操作速度快，保真度高，總體能夠?qū)崿F(xiàn)上千次操作。二是工藝成熟，相對(duì)其他固態(tài)量子芯片體系，超導(dǎo)量子比特受材料缺陷的影響更小，利用成熟的納米加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。三是可擴(kuò)展性好，超導(dǎo)量子比特結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)控方便，極易擴(kuò)展。

目前，全球領(lǐng)先的量子計(jì)算技術(shù)主要掌握在美國、澳大利亞、日本和中國等高校和企業(yè)手中。谷歌和 IBM 都推出了超導(dǎo)量子芯片，英特爾、澳大利亞新南威爾士大學(xué)和荷蘭代爾夫特大學(xué)推出了半導(dǎo)體量子芯片。我國量子計(jì)算領(lǐng)軍企業(yè)本源量子目前開發(fā)出第一代半導(dǎo)體 2 比特量子處理器玄微 XW B2-100、第一代超導(dǎo) 6 比特夸父量子處理器 KF C6-130。

硅材料純度要求更高

傳統(tǒng)集成電路芯片主要指經(jīng)典計(jì)算機(jī)的硅基半導(dǎo)體芯片，它基于半導(dǎo)體制造工藝，采用硅、砷化鎵、鍺等半導(dǎo)體材料。

實(shí)現(xiàn)對(duì)于量子芯片中的量子比特的精確控制，對(duì)環(huán)境要求苛刻，不僅要超低溫，還要“超潔凈”，極其微弱的噪聲、振動(dòng)、電磁波和微小雜質(zhì)顆粒都會(huì)擾亂信號(hào)，這對(duì)于量子芯片的材料和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

據(jù)本源量子副總裁趙勇杰介紹，在硅材料純度上，相較于經(jīng)典芯片而言，量子芯片的要求更高。比如常規(guī)硅片中含有大量的硅 28 和少量的硅 29 同位素，由于硅 29 的核自旋可以影響硅基半導(dǎo)體量子芯片中電子的自旋，因此在半導(dǎo)體量子芯片應(yīng)用中需要在硅材料提純硅 28，去除其中的硅 29。

電磁場對(duì)于半導(dǎo)體以及超導(dǎo)量子比特的干擾也較大，雖然傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中也要考慮電磁場的相互影響，但在量子芯片的設(shè)計(jì)中會(huì)考慮得更加精細(xì)。

此外，即使是工作溫度比較高的硅基半導(dǎo)體量子芯片，目前工作的溫度最高也要到 1.5k，也就是零下 272.5 度，這樣的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)集成電路的很多因素就會(huì)受到影響，比如開關(guān)電壓不同等。

因此，量子芯片迫切需要發(fā)展超導(dǎo)電子學(xué)技術(shù)和低溫電子學(xué)技術(shù)。因?yàn)楫?dāng)芯片集成比特?cái)?shù)達(dá)到數(shù)千個(gè)以后，按照現(xiàn)有的模式，用室溫電子學(xué)控制設(shè)備控制每一個(gè)比特幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，需要將比特的控制部分和量子芯片集成，能夠達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的唯一技術(shù)是超導(dǎo)電子學(xué)。目前超導(dǎo)電子學(xué)技術(shù)還處在非?；A(chǔ)的階段，實(shí)際應(yīng)用非常少，如何與量子芯片集成更是有待研究的全新課題。

與此同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境，還需要配置大功率極低溫制冷機(jī)。超導(dǎo)量子芯片只能在 10mK 左右的極低溫（約零下 273.14 度）下才能工作，而且還要求提供足夠的制冷功率，目前能做到的只有稀釋制冷機(jī)。當(dāng)前的稀釋制冷機(jī)技術(shù)僅能做到滿足數(shù)百個(gè)比特的需求，支持更大規(guī)模的量子芯片的技術(shù)仍是一個(gè)待研究的課題，目前國內(nèi)的稀釋制冷機(jī)主要都是通過進(jìn)口獲得。

獨(dú)特的設(shè)計(jì)、制造和封裝

同傳統(tǒng)集成電路芯片設(shè)計(jì)類似，量子芯片的設(shè)計(jì)也需要依靠設(shè)計(jì)和仿真軟件。但由于同半導(dǎo)體芯片電路特性不同，量子芯片電路原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循完全不同的邏輯，不可能直接使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)或仿真軟件，需要重新開發(fā)。

“目前市場上并沒有成熟的量子芯片 EDA 軟件，我們自主研發(fā)的量子芯片 EDA 工具，是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能的升級(jí)，并且包含自研的量子芯片核心仿真程序。通過現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)工具，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)指標(biāo)方面的設(shè)計(jì)。此外，比如針對(duì)超導(dǎo)量子芯片，也包含了微波電路的一些技術(shù)，很多結(jié)構(gòu)可以用微波仿真軟件來模擬特性，為量子芯片的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)?！壁w勇杰說。

在制造方面，量子芯片的生產(chǎn)制造過程本身具有的復(fù)雜的系統(tǒng)工程屬性以及需要非常專業(yè)化知識(shí)體系，決定了無法如通過設(shè)計(jì)好的 EDA 制作參數(shù)以及自動(dòng)化工具，借助現(xiàn)有的代工資源去完成生產(chǎn)制作，其生產(chǎn)制造的每個(gè)環(huán)節(jié)，都需要專業(yè)化程度較高的特定工程師逐步調(diào)試工藝參數(shù)。

在封裝環(huán)節(jié)，也需要在傳統(tǒng)封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)工具實(shí)現(xiàn)對(duì)于量子芯片的封裝。一方面要求能夠在封裝后，大幅度抑制信號(hào)泄露并進(jìn)行噪聲隔離，同時(shí)要具有高效的集成性，高效的散熱性能，提供磁場屏蔽保護(hù)與紅外輻射屏蔽保護(hù)等特性。另一方面，比如對(duì)于超導(dǎo)量子芯片而言，在封裝中，最重要的環(huán)節(jié)是要將其中的控制通道，通過微波線纜引出，保證低溫狀態(tài)下能夠有效將量子芯片冷卻到較低的溫度。

由于專業(yè)性較高，技術(shù)復(fù)雜，目前推出量子芯片的企業(yè)基本上都是采用 IDM 的方式，芯片制備需要專門的工藝和設(shè)備產(chǎn)線。相關(guān)產(chǎn)品在研發(fā)周期，設(shè)備和資金投入方面也較傳統(tǒng)模擬芯片投入較大。僅實(shí)驗(yàn)室用的測試設(shè)備就在數(shù)千萬元的價(jià)格，而制造用的納米加工設(shè)備產(chǎn)線，則需要數(shù)億元的投入。

艱難的追趕階段

如上文所述，量子計(jì)算的研制屬于巨型系統(tǒng)工程，涉及眾多產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和工程實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。我國在高品質(zhì)材料、工藝結(jié)構(gòu)、制冷設(shè)備和測控系統(tǒng)等領(lǐng)域仍落后于領(lǐng)先國家，在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)甚至面臨著受制于人的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用場景仍需要更廣泛持續(xù)地探索。

我國的量子計(jì)算研究起步晚于歐美先進(jìn)國家，且主要以科研為導(dǎo)向，研究主體集中在各個(gè)高校與科研院所。雖然在一些細(xì)分領(lǐng)域取得了科研上的突破，但在量子計(jì)算整體的工程化實(shí)現(xiàn)與制造工藝層面與國際先進(jìn)水平具有明顯差距。

業(yè)內(nèi)專家指出，量子計(jì)算需要克服環(huán)境噪聲、比特錯(cuò)誤和實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的普適量子糾錯(cuò)等一系列難題，真正量子計(jì)算機(jī)研發(fā)挑戰(zhàn)巨大。

趙勇杰表示，在量子計(jì)算芯片方面，中國同國際領(lǐng)先水平還有三四年的差距。

“歐美廠商進(jìn)展非?？欤绾文軌虮３殖掷m(xù)追趕的勢頭是關(guān)鍵，中國的量子計(jì)算芯片的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還處于艱難的追趕階段，如果跟不上，差距將會(huì)越拉越大?！壁w勇杰說。

另有行業(yè)人士表示，量子計(jì)算除了工程化方面的諸多挑戰(zhàn)之外，量子計(jì)算系統(tǒng)在高性能 FPGA、高速 ADC 以及量子計(jì)算控制系統(tǒng)等、低溫設(shè)備制冷劑等核心器件和材料等方面，仍然依靠進(jìn)口，也存在不少“卡脖子”環(huán)節(jié)。

“并不能因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室發(fā)表了幾篇世界領(lǐng)先的研究成果就盲目樂觀，我國的量子計(jì)算還有很長的路要走?！痹撊耸刻寡浴?br />
審核編輯 黃昊宇