量子芯片再成焦點(diǎn)

作者：豐寧

近日，中國(guó)迎來(lái)了首顆500+比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片，這一里程碑式的成果標(biāo)志著中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了重大突破。這顆名為“驍鴻”的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片，由中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院精心研制并成功交付給國(guó)盾量子。這款芯片在集成超過(guò)500比特的同時(shí)，量子比特的壽命、門保真度、門深度、讀取保真度等關(guān)鍵指標(biāo)，有望達(dá)到IBM等國(guó)際主流量子計(jì)算云平臺(tái)的芯片性能，可以充分滿足千比特測(cè)控系統(tǒng)驗(yàn)證的需求。“驍鴻”芯片的問(wèn)世，對(duì)于推動(dòng)大規(guī)模量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。它將被用于驗(yàn)證國(guó)盾量子自主研制的千比特測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的集成度較上一代產(chǎn)品提升了10倍以上，核心元器件使用國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，既提高了操控精度，又大幅降低了成本。這一系統(tǒng)的成功驗(yàn)證，無(wú)疑將為中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。值得注意的是，“驍鴻”芯片的研發(fā)并非易事。超導(dǎo)量子計(jì)算芯片的研發(fā)需要克服諸多技術(shù)難題，包括如何讓量子比特的質(zhì)量和數(shù)量同步提升，從而真正提升芯片的性能。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士、中電信量子集團(tuán)副總經(jīng)理王振表示，500+比特量子計(jì)算機(jī)的云端接入，可以高效承載各領(lǐng)域用戶對(duì)有實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題和算法開展研究，加速量子計(jì)算在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用，引領(lǐng)量子計(jì)算生態(tài)的快速發(fā)展。那么量子芯片究竟是什么？它又能為我們帶來(lái)哪些令人矚目的應(yīng)用？展望未來(lái)，它又將擁有怎樣的發(fā)展前景？為何國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)紛紛對(duì)其青睞有加？接下來(lái)，讓我們一同揭開量子芯片的神秘面紗。

?01、量子芯片與普通芯片有哪些不同？

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，量子芯片與傳統(tǒng)集成電路芯片在材料、計(jì)算能力、工藝成熟度、信息處理方式和應(yīng)用領(lǐng)域等方面都存在明顯的不同。

從材料來(lái)看，傳統(tǒng)芯片的核心材料主要是硅。硅也是量子芯片常用材料之一，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。此外，III-V族化合物（如砷化鎵、磷化銦）也是量子芯片制造中重要的材料，它們具有高電子遷移率和高載流子濃度，更適合制造量子比特，并且能級(jí)結(jié)構(gòu)更容易控制。除此之外，量子芯片還可能涉及超導(dǎo)材料，石墨烯也被視為量子芯片的一種潛在材料。

從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，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)。

在工藝方面，量子芯片的制造工藝則更為復(fù)雜，特別是在處理超導(dǎo)材料或特殊半導(dǎo)體材料時(shí)，需要更高的工藝精度和更嚴(yán)格的環(huán)境控制。不過(guò)，超導(dǎo)量子比特受材料缺陷的影響較小，利用成熟的納米加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

從計(jì)算能力來(lái)看，量子芯片具有明顯優(yōu)勢(shì)。以超導(dǎo)量子比特為例，其相干時(shí)間長(zhǎng)、操作速度快、保真度高，能夠?qū)崿F(xiàn)上千次操作。兩者的信息處理方式和邏輯結(jié)構(gòu)也給兩者帶來(lái)了不同的計(jì)算能力。普通芯片使用二進(jìn)制數(shù)字（0和1）表示信息，每個(gè)比特只能存在于兩種狀態(tài)之一。而量子芯片則使用量子位（qubit）來(lái)表示信息，量子比特可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，即疊加態(tài)，并通過(guò)糾纏相互影響，使得它們之間的相互作用更加復(fù)雜和強(qiáng)大。這種特性使得量子芯片在處理復(fù)雜問(wèn)題和執(zhí)行某些特定任務(wù)時(shí)，相比傳統(tǒng)芯片具有更高的效率和精度。

從安全性角度來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)可以在不泄露原始信息的情況下進(jìn)行加密和解密。這意味著，量子計(jì)算機(jī)在信息安全領(lǐng)域具有巨大的潛力，可以為我們提供更加安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。兩者在應(yīng)用領(lǐng)域也有顯著差異，普通芯片廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子設(shè)備的計(jì)算、控制和存儲(chǔ)，而量子芯片則因其獨(dú)特的量子效應(yīng)和疊加態(tài)運(yùn)算能力，在量子計(jì)算、量子模擬、量子通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，量子計(jì)算可以在密碼破譯、優(yōu)化問(wèn)題、藥物研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。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(lái)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。各大科技巨頭和企業(yè)紛紛搶灘布局，競(jìng)相在這一領(lǐng)域開展研發(fā)，以期在未來(lái)的量子計(jì)算競(jìng)賽中占據(jù)有利地位。

?02、2023年全球量子計(jì)算的十大進(jìn)展

在全球范圍內(nèi)，量子計(jì)算技術(shù)得到了前所未有的關(guān)注和投資，量子計(jì)算機(jī)研發(fā)已經(jīng)成為全球主要國(guó)家在前沿科技領(lǐng)域攻關(guān)突破的重點(diǎn)方向之一。

IBM發(fā)布首款1000量子比特量子芯片

2023年12月，IBM在紐約舉行的年度IBM量子峰會(huì)上，推出了第一臺(tái)擁有1000多個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。多年來(lái)，IBM一直遵循量子計(jì)算的路線圖，即量子比特?cái)?shù)量每年大約翻倍。本次公布的芯片名為Condor，擁有1121個(gè)以蜂窩狀排列的超導(dǎo)量子比特。

IBM推出133量子位QuantumHeron

會(huì)上，IBM還推出了基于Heron芯片的最新量子系統(tǒng)IBM QuantumSystemTwo，并對(duì)量子系統(tǒng)的發(fā)展路線圖進(jìn)行了重大更新。Heron具備133個(gè)量子比特和可調(diào)諧耦合器，與IBM之前的旗艦127量子比特Eagle處理器相比，其設(shè)備性能提升了3-5倍，并顯著減少了串?dāng)_現(xiàn)象。值得一提的是，Heron采用了創(chuàng)新的模塊化架構(gòu)，其基礎(chǔ)是可調(diào)諧耦合器，與先前的量子處理器架構(gòu)截然不同。

馬里蘭大學(xué)亞倫·斯米諾團(tuán)隊(duì)研發(fā)最“長(zhǎng)壽”量子比特

2023年5月，美國(guó)馬里蘭大學(xué)亞倫·斯米諾團(tuán)隊(duì)證明，磁通量量子比特可將量子特性保持更長(zhǎng)時(shí)間。在最新研究中，斯米諾團(tuán)隊(duì)在藍(lán)寶石芯片上以特殊配置鋪設(shè)極細(xì)的鈦和鋁線，在一排排超導(dǎo)“島嶼”之間形成許多通道，從而制造出了磁通量量子比特。這些細(xì)線只有在極冷溫度下才是超導(dǎo)體，因此他們將其保存在溫度接近絕對(duì)零度的冰箱內(nèi)。當(dāng)芯片通電時(shí)，導(dǎo)線的特殊布局和超導(dǎo)特性使其具有幾種不同的量子態(tài)，每一個(gè)都可用來(lái)將信息編碼為1和0或者兩者的疊加。研究團(tuán)隊(duì)也測(cè)量了芯片的相干時(shí)間，以揭示量子比特的“壽命”。斯米諾指出，最好的傳輸子量子比特的相干時(shí)間僅為數(shù)百微秒，而磁通量量子比特的相干時(shí)間約為1.48毫秒。他們也可改變量子比特的狀態(tài)，保真度為99.991%，使其成為現(xiàn)有最可靠的量子比特之一。

薩塞克斯大學(xué)和UniversalQuantum的研究人員實(shí)現(xiàn)在芯片上傳輸量子比特

2023年2月，來(lái)自薩塞克斯大學(xué)和UniversalQuantum的研究人員展示了他們?nèi)绾问褂靡环N新的強(qiáng)大技術(shù)，他們稱之為“UQ Connect”，使用電場(chǎng)鏈接使量子比特能夠以前所未有的速度和精度從一個(gè)量子計(jì)算微芯片模塊移動(dòng)到另一個(gè)量子計(jì)算微芯片模塊。這使得芯片像拼圖游戲一樣拼在一起，制造出更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。薩塞克斯大學(xué)和UniversalQuantum團(tuán)隊(duì)成功地傳輸了量子比特，成功率為99.999993%，連接率為2424/s，這兩個(gè)數(shù)字都是世界紀(jì)錄，比以前的解決方案好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

俞大鵬院士課題組聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)文展示量子糾錯(cuò)優(yōu)勢(shì)

2023年3月，南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院俞大鵬院士帶領(lǐng)超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室助理研究員徐源研究小組，聯(lián)合福州大學(xué)教授鄭仕標(biāo)、清華大學(xué)教授孫麓巖等團(tuán)隊(duì)在基于超導(dǎo)量子線路系統(tǒng)的量子糾錯(cuò)領(lǐng)域取得突破性重大實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)技術(shù)延長(zhǎng)了量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間，在國(guó)際上首次超越盈虧平衡點(diǎn)，展示了量子糾錯(cuò)優(yōu)勢(shì)。

NVIDIA發(fā)布用于加速量子-經(jīng)典混合計(jì)算的全新系統(tǒng)

2023年3月，NVIDIA推出全球首個(gè)GPU加速的量子計(jì)算系統(tǒng)——NVIDIADGXQuantum結(jié)合了由NVIDIAGraceHopper超級(jí)芯片和CUDAQuantum開源編程模型構(gòu)建的全球最強(qiáng)加速計(jì)算平臺(tái),以及與由QuantumMachines構(gòu)建的全球最先進(jìn)的量子控制平臺(tái)OPX。該組合使研究人員能夠構(gòu)建將量子計(jì)算與先進(jìn)的經(jīng)典計(jì)算相結(jié)合的超強(qiáng)應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)校準(zhǔn)、控制、量子糾錯(cuò)和混合算法的發(fā)展。

Quantinuum推出系統(tǒng)模型H2

2023年5月，Quantinuum宣布推出量子計(jì)算系統(tǒng)H2，并成功創(chuàng)造和操控非阿貝爾任意子（non-Abeliananyon），邁出了構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵一步。

Quantinuum通過(guò)邏輯比特實(shí)施容錯(cuò)算法首次實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算模擬

2023年7月，Quantinuum的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在QuantinuumH1量子計(jì)算機(jī)上，使用了三個(gè)邏輯量子比特，運(yùn)用一種早期容錯(cuò)設(shè)備算法——隨機(jī)量子相位估計(jì)（StochasticQuantumPhaseEstimation），成功計(jì)算出了氫分子的基態(tài)能量。該項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于，它將錯(cuò)誤檢測(cè)作為算法的一部分。當(dāng)代碼檢測(cè)到在計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)誤的量子比特時(shí)，代碼會(huì)立即終止計(jì)算，從而節(jié)省了量子資源。

IBM?Q集成Q-CTRL錯(cuò)誤抑制技術(shù)零配置實(shí)現(xiàn)“量子系統(tǒng)性能暴增”

2023年11月，IBM Quantum將量子計(jì)算初創(chuàng)公司Q-CTRL的錯(cuò)誤抑制技術(shù)軟件Q-CTRLEmbedded集成到IBM Quantum的按需付費(fèi)計(jì)劃中，以提高量子計(jì)算實(shí)用性和性能。經(jīng)同行評(píng)審研究以及系統(tǒng)測(cè)試，證明了量子系統(tǒng)可以運(yùn)行的量子算法的復(fù)雜性增加了10倍、量子算法的成功率提高了1,000倍以上。

哈佛大學(xué)創(chuàng)史上最高48Q邏輯量子比特

2023年12月，致力于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）中等規(guī)模帶噪聲量子優(yōu)化(ONISQ)計(jì)劃的哈佛研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了史上首個(gè)具有邏輯量子比特的量子電路，該量子電路含約48個(gè)里德堡原子邏輯量子比特，數(shù)量居世界之最。

?03、量子計(jì)算成各國(guó)布局焦點(diǎn)

量子計(jì)算硬件技術(shù)主要分兩大類，一類是以超導(dǎo)和硅半導(dǎo)體為代表的人造粒子路線，另一類是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。

量子計(jì)算硬件研發(fā)目前處于各種技術(shù)路線并行發(fā)展和開放競(jìng)爭(zhēng)階段。中國(guó)科技巨頭阿里巴巴、騰訊、百度和華為通過(guò)與科研機(jī)構(gòu)合作等方式成立量子實(shí)驗(yàn)室，布局量子處理器硬件、量子計(jì)算云平臺(tái)等領(lǐng)域；而初創(chuàng)公司-本源量子，則在量子處理器硬件、開源軟件平臺(tái)和量子計(jì)算云服務(wù)等方面進(jìn)行探索。

在量子通信領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛布局，其中三大運(yùn)營(yíng)商一方面助力量子通信的應(yīng)用落地，另一方面也不斷創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)、提升通信等行業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，從投資總額來(lái)看，2023年全球量子信息投資規(guī)模達(dá)到386億美元，其中中國(guó)投資總額達(dá)150億美元，位居全球第一，可見(jiàn)中國(guó)對(duì)量子科技發(fā)展的資金投入力度和重視程度。

今年以來(lái)，中國(guó)在量子計(jì)算方面的研發(fā)不斷取得新進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)化步伐明顯提速。除了“驍鴻”的發(fā)布，中國(guó)自主研制的第三代超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”已經(jīng)上線運(yùn)行，吸引全球超過(guò)500萬(wàn)人次訪問(wèn)；北京玻色量子科技有限公司已發(fā)布新一代550計(jì)算量子比特的相干光量子計(jì)算機(jī)。

3月29日，中電信量子集團(tuán)入圍國(guó)務(wù)院國(guó)資委確定的首批啟航企業(yè)，將加快建設(shè)抗量子計(jì)算的新型安全基礎(chǔ)設(shè)施，積極推動(dòng)量子通信產(chǎn)業(yè)化和量子計(jì)算實(shí)用化。不過(guò)從現(xiàn)實(shí)來(lái)看，中國(guó)與在量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展與美國(guó)仍存在不小的差距，尤其是在量子芯片和超低溫設(shè)備等核心技術(shù)方面。作為量子技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，量子計(jì)算因其具備計(jì)算能力跨越式發(fā)展的潛力，成為許多國(guó)家競(jìng)相追逐的熱點(diǎn)。

美國(guó)在量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈上具有明顯優(yōu)勢(shì)，政府對(duì)量子計(jì)算的高度重視和大力支持推動(dòng)了企業(yè)數(shù)量的增長(zhǎng)，其中涵蓋了各類型的企業(yè)，包括IBM、谷歌、微軟、亞馬遜等代表性企業(yè)。美國(guó)在超導(dǎo)、離子阱、光量子等多個(gè)領(lǐng)域都保持領(lǐng)先地位，其科研創(chuàng)新和合作活躍，技術(shù)水平和引領(lǐng)能力處于全球前列。德國(guó)、法國(guó)和其他歐洲國(guó)家在量子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展方面呈現(xiàn)出積極的趨勢(shì)。

德國(guó)政府的量子技術(shù)行動(dòng)計(jì)劃旨在成為量子技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，提供資金和戰(zhàn)略框架。德國(guó)的量子計(jì)算企業(yè)數(shù)量排名全球第一，具有先進(jìn)的技術(shù)能力，特別是在離子阱和中性原子等領(lǐng)域。不過(guò)，與美國(guó)相比，仍存在技術(shù)差距。

法國(guó)通過(guò)諸如國(guó)家量子技術(shù)戰(zhàn)略等文件強(qiáng)烈支持量子計(jì)算。然而，與美國(guó)和中國(guó)相比，投資和產(chǎn)出仍存在差距，硬件和軟件能力略低于德國(guó)。英國(guó)、日本、加拿大和其他國(guó)家在量子計(jì)算的發(fā)展方面也取得了巨大的進(jìn)展。英國(guó)政府的科學(xué)技術(shù)框架和國(guó)家量子戰(zhàn)略旨在鞏固其作為技術(shù)超級(jí)大國(guó)的地位，但與美國(guó)和中國(guó)相比，它在規(guī)模和類型上仍存在缺陷。日本通過(guò)其量子未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)實(shí)際和工業(yè)應(yīng)用，但在量子軟件和服務(wù)方面仍存在一些缺點(diǎn)。加拿大已經(jīng)啟動(dòng)了一項(xiàng)國(guó)家量子戰(zhàn)略，得到了政府的大力支持，特別是在光子量子技術(shù)路線方面，盡管它在硬件和軟件能力方面略落后于美國(guó)。

?04、量子計(jì)算的商用元年是何時(shí)？

量子計(jì)算具有重要的科學(xué)意義和巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

一方面，在摩爾定律的前提下，以硅基為基礎(chǔ)的集成電路技術(shù)演進(jìn)已接近物理極限，量子計(jì)算有望成為后摩爾時(shí)代計(jì)算能力跨越式發(fā)展的重要方案之一。

另一方面，量子計(jì)算作為新型算力，在數(shù)據(jù)處理速度和能力方面相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有顯著優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望成為加速AI發(fā)展的重要引擎?！笆奈逡?guī)劃”多次提到量子技術(shù)。2024年政府工作報(bào)告明確提出開辟量子技術(shù)、生命科學(xué)等新賽道，創(chuàng)建一批未來(lái)產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)區(qū)。

4月24日，北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局、北京市通信管理局聯(lián)合印發(fā)《北京市算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)施方案（2024—2027年）》，方案提出支持量子芯片等新型技術(shù)路線發(fā)展突破以及量子計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)研發(fā)；《山東省算力基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》也提出積極布局量子計(jì)算等新型算力，依托國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)量子密碼應(yīng)用技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，探索量子通信規(guī)?；瘧?yīng)用。

隨著量子計(jì)算算法的持續(xù)演進(jìn)，量子計(jì)算及量子通信依靠其高保密性，低時(shí)延及高可靠性等特點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)景逐步從特種場(chǎng)景向民用消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域拓展，從而拓寬市場(chǎng)空間。ICV數(shù)據(jù)顯示，結(jié)合量子計(jì)算所需的物理學(xué)基礎(chǔ)與算法基礎(chǔ)，量子計(jì)算有望在10-15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；逃?。

根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2022年全球量子計(jì)算技術(shù)(包括硬件、軟件和即服務(wù)解決方案)市場(chǎng)規(guī)模為11億美元，2027年將增長(zhǎng)至76億美元左右。預(yù)計(jì)量子計(jì)算的商用元年在2030年，市場(chǎng)需求超過(guò)1000億美元，2022-2030年年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)79.72%。