提高量子計算實用性，量子芯片是芯片技術的新出路嗎？

電子發(fā)燒友網報道（文/李寧遠）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有硅半導體技術生產自旋量子計算芯片之后發(fā)布的迄今為止最先進的硅自旋量子比特芯片。進展頻頻的量子計算芯片又朝前突破了一步。

說起量子計算，很多人都會覺得這一技術目前有些天馬行空，起碼離真正應用還有相當遠的距離。誠然目前離量子計算應用場景落地還有一定距離，但國內不少企業(yè)和研究機構都加快了量子計算方面的研究。

量子計算如何有望成為改變世界的技術？

量子計算是一種基于量子力學原理的計算技術，利用量子疊加和量子糾纏等量子物理特性執(zhí)行計算。傳統(tǒng)的晶體管使用二進制數據編碼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，這枚硬幣是旋轉的，處于0和1的連續(xù)態(tài)空間內，具有疊加態(tài)和糾纏態(tài)等獨特性質。區(qū)別于經典計算中的二進制位，量子計算中這一最小單元被稱為量子比特。

二進制位只能明確的表示0或者1，而量子比特不同，在旋轉中它能表示0和1疊加的狀態(tài)，每次添加一個量子位的信息，都會以指數方式增加添加的狀態(tài)數量。利用量子比特的疊加態(tài)和糾纏態(tài)，將多個量子比特放在一起，這些疊加狀態(tài)之間又互有關聯(lián)，就能存儲和計算更多的數據。

量子計算快速處理大規(guī)模數據的能力能夠解決一些經典計算難以解決的問題。密碼學是最早提出的量子計算應用之一，量子系統(tǒng)能夠在相對較短的時間內解除加密信息，同樣的計算交給超級計算機仍舊需要花費大量時間。

目前有不少方法可以制造量子位或單個量子計算設備，如超導量子比特、離子阱量子比特、量子點量子比特等。離子阱量子比特是通過激光來操縱金屬原子的激發(fā)態(tài)來實現，原理類似于2012年諾貝爾物理學獎的粒子控制。超導量子比特使用超導回路和約瑟夫遜結來創(chuàng)建一個非線性LC振蕩器電路，其中振蕩器的兩個狀態(tài)代表量子位的0/1。量子點量子比特則是使用硅量子點在硅器件中用單個電子編碼量子位的狀態(tài)，英特爾Tunnel Falls就是基于這種技術。

雖然如今的量子系統(tǒng)僅包含數十個或數百個糾纏量子位，還遠遠不夠解決現實世界問題。商用量子系統(tǒng)起碼需要擴展到100多萬量子位才能真正實用起來，而且還有量子位的脆弱性和軟件的可編程性等嚴峻挑戰(zhàn)。

但是和傳統(tǒng)計算硬件一樣，新技術新硬件一旦突破，顛覆性的算力革新會在短時間內迅速拉開差距。這項能夠改變世界的技術在眾多從業(yè)者的堅持下正朝著更多的量子比特數前進。

量子計算核心—量子芯片

根據MarketsandMarkets最新報告顯示，全球量子計算市場規(guī)模預計2023年將達到8.66億美元，到2028年將達到43.75億美元。從2023年至2028年的復合年增長率為38.3%，量子計算產業(yè)正在加速發(fā)展。

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

目前超導量子芯片是占據較大市場份的技術路線，主要優(yōu)勢體現在低功耗、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量子處理器Osprey，通過標準CMOS工藝制造，該芯片是目前公開的超導量子芯片比特數最高的，共433個量子比特，有413個可以訪問，量子芯片比特數穩(wěn)步提升。IMEC涉足的技術路線很廣，在12寸晶圓線上制造的超導量子芯片在相干時間性能上也取得了極大的提升，幾乎可以達到學術界的理論最佳水平。

國內本源量子已公開的超導量子芯片夸父KF-C24-100是24位量子比特芯片，利用成熟的納米加工技術和精確設計的脈沖序列，可以實現高保真度的量子邏輯門操作。華為則在去年公布了一項“超導量子芯片”的專利，解決了量子比特的串擾現象、降低信號噪聲等問題，在超導量子芯片領域取得了實質性突破。浙大超導量子計算團隊的“天目”、“莫干”超導量子芯片系列則在今年公開一款全新的超導量子芯片，平均相干時間達到了100微秒，位居行業(yè)領先水平。

圖源：本源量子

離子阱量子芯片這一路線在保真度上很高，在計算準確性上有保障，但是線性阱尺度一直制約著芯片量子比特數的拓展。

霍尼韋爾旗下的Quantinuum今年發(fā)布的QV達65536的H2量子計算機其中的離子阱量子芯片包含32個完全連接的高保真量子比特，并首次創(chuàng)建了非阿貝爾拓撲量子物質，大幅提升了通用容錯量子計算能力。IonQ同樣在今年發(fā)布的離子阱量子計算系統(tǒng)所用芯片量子比特則達到了25。半導體巨頭英飛凌也與eleQtron合作，開始布局離子阱量子處理器。

國內啟科量子和華翊量子同樣在離子阱路線上耕耘已久，根據旗下量子計算機的性能汆熟來看，各項性能指標均已達到預期，部分性能指標已達到世界領先水平。

硅量子點量子芯片，其優(yōu)勢在于能與成熟的CMOS工藝兼容，更方便實現大規(guī)模集成。與超導形成的量子點相比，硅自旋形成的量子點小一百萬倍，甚至更小。這種技術可以將數百萬甚至數十億個硅量子點打包到一個類似于先進微處理器的區(qū)域上。然后利用已成熟的晶體管制造設備使這些器件確保各個量子比特相互匹配。

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

國內中科大、本源量子也在聯(lián)手進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路線，光量子計算芯片領域Xanadu、PSI Quamtum、圖靈量子、 國盾量子在近一年內也均了階段性成果。

寫在最后

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

量子芯片另起爐灶，完全不依賴現有的硅基芯片產業(yè)鏈，在這條全新的產業(yè)鏈上目前各地區(qū)各廠商都在不遺余力地進行軍備競賽，可以說誰先完成技術突破，率先推進量子芯片落地商用，誰就將在未來取得芯片技術的主導權。