量子芯片，再次破局

作者：米樂(lè)

中國(guó)成功量產(chǎn)1500批次量子芯片，性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)芯片。多家公司布局量子科技，涉及量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域，推動(dòng)量子科技市場(chǎng)快速發(fā)展。預(yù)計(jì)到2030年，全球量子芯片市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到千億美元。

?01、為什么要開發(fā)量子芯片？

公司開發(fā)量子芯片的原因多種多樣，主要原因是量子計(jì)算具有徹底改變計(jì)算領(lǐng)域和解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際上無(wú)法解決的某些問(wèn)題的潛力。

解決復(fù)雜問(wèn)題：量子計(jì)算機(jī)有潛力解決目前傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。這包括優(yōu)化、密碼學(xué)、材料科學(xué)、藥物研發(fā)等任務(wù)。

量子優(yōu)勢(shì)：各公司的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”，即量子計(jì)算機(jī)能夠比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快或更高效地執(zhí)行特定任務(wù)。這可能會(huì)為金融、物流和醫(yī)療保健等各個(gè)行業(yè)帶來(lái)突破。

競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：公司將量子計(jì)算視為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的源泉。處于量子技術(shù)的前沿可以讓他們?cè)诟髯缘男袠I(yè)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)并開辟新的商機(jī)。

由于以上優(yōu)點(diǎn)，大廠公司紛紛布局了量子芯片。

?02、誰(shuí)在開發(fā)？

IBM發(fā)布了兩款新型量子芯片，Condor和Heron，分別采用了超導(dǎo)和離子阱技術(shù)。然而，超導(dǎo)量子計(jì)算的最大難題是量子糾纏。QuEra的新型量子計(jì)算機(jī)采用硅自旋量子比特技術(shù)，具有高相干時(shí)間和低誤差率，超過(guò)了IBM的Condor芯片。

QuEra的新型量子計(jì)算機(jī)采用了48個(gè)邏輯量子比特的設(shè)計(jì)方案，并采用了模塊化設(shè)計(jì)思路，可構(gòu)建更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。該成果受到美國(guó)政府的資助，對(duì)全球科技發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。此外，QuEra的新型量子計(jì)算機(jī)還采用了模塊化的設(shè)計(jì)。這意味著不同的模塊可以相互連接在一起，從而構(gòu)建出更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。這種設(shè)計(jì)思路與目前主流的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)類似，但是QuEra的新型量子計(jì)算機(jī)具有更高的相干時(shí)間和更低的誤差率，因此在性能上更具優(yōu)勢(shì)。

最后，QuEra的新型量子計(jì)算機(jī)是由哈佛大學(xué)主導(dǎo)的，背后還有美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局中等規(guī)模帶噪聲量子優(yōu)化計(jì)劃的資助。這說(shuō)明美國(guó)政府在量子計(jì)算領(lǐng)域投入了大量的資金和資源，以保持其在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。同時(shí)，這也意味著其他國(guó)家在該領(lǐng)域的發(fā)展也需要投入大量的資金和資源，以保持其競(jìng)爭(zhēng)力。

QuEra的新型量子計(jì)算機(jī)采用了不同的技術(shù)路線和設(shè)計(jì)方案，具有更高的相干時(shí)間和更低的誤差率，因此在性能上更具優(yōu)勢(shì)。這不僅對(duì)于美國(guó)政府和企業(yè)在信息安全、金融科技等領(lǐng)域具有重要意義，同時(shí)也將對(duì)全球范圍內(nèi)的科技發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。因此，我們應(yīng)該密切關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和技術(shù)突破，以期能夠更好地推動(dòng)全球科技的發(fā)展和進(jìn)步。對(duì)于人類而言，這絕對(duì)是一個(gè)巨大進(jìn)步，同時(shí)也可以說(shuō)是一個(gè)壞消息。因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)可以輕松破解各國(guó)政府、銀行、企業(yè)所使用的加密協(xié)議，上到國(guó)家機(jī)密，下到社會(huì)安全號(hào)碼，量子計(jì)算機(jī)都可以破解。這就意味著，世界將會(huì)沒有任何的秘密。

Google 的 Bristlecone 是一款量子處理器，旨在展示量子霸權(quán)，這是量子計(jì)算的一個(gè)重要里程碑。雖然它主要是一種研究工具，但它展示了量子硬件的進(jìn)展。在研究特定的應(yīng)用程序之前，量化一個(gè)量子處理器的能力是很重要的。谷歌的原理團(tuán)隊(duì)（theory team）已經(jīng)開發(fā)出了一種基準(zhǔn)測(cè)試工具來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)。

他們可以通過(guò)在設(shè)備上應(yīng)用隨機(jī)的量子線路來(lái)分配一個(gè)單一的系統(tǒng)誤差，并通過(guò)一個(gè)經(jīng)典模擬來(lái)檢查抽樣的輸出分布。如果一個(gè)量子處理器的操作誤差足夠小，它就能在一個(gè)定義良好的計(jì)算機(jī)科學(xué)問(wèn)題上超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這是一項(xiàng)被稱為“量子霸權(quán)”的成就。這些隨機(jī)電路在量子位和計(jì)算長(zhǎng)度（深度）上都必須很大。

雖然還沒有人達(dá)到這一目標(biāo)，但谷歌的計(jì)算量子霸權(quán)可以用49量子位，一個(gè)超過(guò)40量子位的線路深度，還有一個(gè)低于0.5%的兩量子位元的誤差。谷歌相信，量子處理器優(yōu)于超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)證明將是這個(gè)領(lǐng)域的分水嶺，并且仍然是他們的主要目標(biāo)之一。

量子計(jì)算公司 Rigetti 提供對(duì)其量子處理器和名為 Forest 的量子開發(fā)環(huán)境的云訪問(wèn)。他們開發(fā)了 Aspen-9 和 Aspen-9Q 等量子芯片。

霍尼韋爾開發(fā)了一款與許多其他量子處理器架構(gòu)不同的量子計(jì)算機(jī)。他們的設(shè)備基于離子捕獲技術(shù)，并推出了用于不同用途的各種量子芯片。國(guó)內(nèi)多家公司也在布局量子科技，涉及量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域，推動(dòng)量子科技市場(chǎng)快速發(fā)展。我國(guó)宣布成功量產(chǎn)高達(dá)1500批次的量子芯片，這一壯舉震撼全球。這款被譽(yù)為“中國(guó)超級(jí)芯片”的量子杰作，其性能之強(qiáng)悍，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基芯片，效能飆升千倍，而能耗卻幾乎可以忽略不計(jì)，僅為傳統(tǒng)芯片的九萬(wàn)分之一。例如，天和防務(wù)公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為“通信電子”“新一代綜合電子信息（天融工程）”三大業(yè)務(wù)體系和軍工裝備、5G射頻、物聯(lián)感知、行業(yè)大數(shù)據(jù)、數(shù)字海洋五大業(yè)務(wù)板塊。公司子公司經(jīng)過(guò)初步調(diào)研并依托現(xiàn)有業(yè)務(wù)進(jìn)行布局，著眼于量子通信所用的極低溫器件進(jìn)行相關(guān)研發(fā)與實(shí)驗(yàn)，目前已開展了相關(guān)器件的極低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)。

科大國(guó)創(chuàng)公司參股投資了國(guó)儀量子，國(guó)儀量子是一家全球知名的量子科技技術(shù)公司。銅牛信息與國(guó)科量子簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將緊密合作積極推進(jìn)量子通信技術(shù)的市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在鏈路加密、量子應(yīng)用等方面加強(qiáng)合作并共同拓展云安全服務(wù)市場(chǎng)。中科曙光在2017年9月27日，中科曙光與量子網(wǎng)絡(luò)在北京舉行戰(zhàn)略合作簽約儀式，雙方將攜手產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴共同打造量子通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。此次合作是我國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的重要實(shí)踐，亦標(biāo)志著曙光公司作為信息產(chǎn)業(yè)的“國(guó)家隊(duì)”正式入局量子通信。雙方聯(lián)合研發(fā)的全球首款基于量子通信的云安全一體機(jī)QC Server重磅發(fā)布，這是我國(guó)繼量子保密通信在科研領(lǐng)域走在世界前列之后，在應(yīng)用和支撐領(lǐng)域又一次全球領(lǐng)先。

浩豐科技擁有量子應(yīng)用安全服務(wù)平臺(tái)的軟件著作權(quán)，但在量子應(yīng)用方面如何形成產(chǎn)業(yè)化尚在摸索階段。吉大正元在抗量子密碼算法研究方面取得了一定進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了抗量子簽名的算法，并成功開發(fā)傳統(tǒng)密碼和抗量子密碼混合模式的密鑰生成以及證書簽發(fā)功能，完成抗量子算法與數(shù)字證書技術(shù)的結(jié)合。

?03、量子霸權(quán)如何霸？

過(guò)去十年，人們致力于開發(fā)量子計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)可以大幅加快某些計(jì)算領(lǐng)域的速度，從而徹底改變物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、人工智能和密碼學(xué)等領(lǐng)域。研究人員利用先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)原型作為概念驗(yàn)證，已經(jīng)展示了“量子霸權(quán)”，即在幾秒鐘內(nèi)計(jì)算出最快的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要數(shù)千年才能完成的計(jì)算結(jié)果。雖然這樣的演示無(wú)疑標(biāo)志著一個(gè)技術(shù)里程碑，但以難以想象的速度完成的任務(wù)不一定會(huì)在短期內(nèi)預(yù)示量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化。

為了確保量子技術(shù)在未來(lái)十年的持續(xù)發(fā)展，量子計(jì)算硬件需要在材料和制造工藝方面取得進(jìn)展，其路徑類似于推動(dòng)傳統(tǒng)計(jì)算發(fā)展的晶體管技術(shù)不斷擴(kuò)展。英特爾在 300 毫米晶圓上實(shí)現(xiàn)量子比特芯片有著領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體 CMOS 技術(shù)能夠?qū)?shù)十億個(gè)晶體管壓縮到由 300 毫米晶圓生產(chǎn)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片上，英特爾認(rèn)為相同的技術(shù)可以復(fù)制，以構(gòu)建足以應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用的量子計(jì)算機(jī)。

這種方法是可行的，因?yàn)楣枳孕孔颖忍嘏c半導(dǎo)體晶體管有許多相似之處，而半導(dǎo)體晶體管構(gòu)成了微處理器的構(gòu)建功能塊。自旋量子比特的尺寸很小，約為 100 納米，這使得它們比其他量子比特類型更密集，從而可以在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)。英特爾采用的制造方法利用了極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)，這種設(shè)備目前通常用于為計(jì)算行業(yè)制造大批量芯片。

英特爾的 300 毫米硅自旋量子比特晶圓要實(shí)現(xiàn)具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)均勻一致的糾錯(cuò)量子比特的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，需要高度可靠的制造工藝，而這些工藝只能在完善的晶圓生產(chǎn)基地進(jìn)行。英特爾指出，它每年出貨的晶圓包含約 800 千萬(wàn)億 (800 x 1015?) 個(gè)晶體管。按照這個(gè)速度，到 2025 年，這個(gè)數(shù)字將超過(guò)地球上所有人類細(xì)胞的總數(shù)量。Tunnel Falls 是英特爾迄今為止最先進(jìn)的硅自旋量子比特芯片，它借鑒了該公司數(shù)十年的晶體管設(shè)計(jì)和制造專業(yè)知識(shí)。

這款 量子比特硅芯片在俄勒岡州希爾斯伯勒的 D1 制造工廠的 300 毫米晶圓上制造，標(biāo)志著朝著構(gòu)建全棧商業(yè)量子計(jì)算系統(tǒng)邁出了下一步，可供缺乏大批量制造機(jī)器的量子研究和學(xué)術(shù)界使用。unnel Falls 的使用權(quán)加上英特爾量子軟件開發(fā)工具包 (QSDK) 的使用權(quán)，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算研究民主化的切實(shí)努力。

同時(shí)，利用先進(jìn)的 CMOS 生產(chǎn)線，英特爾可以使用創(chuàng)新的工藝控制技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)量和性能。例如，英特爾聲稱 Tunnel Falls 12 量子比特器件在晶圓級(jí)的產(chǎn)量達(dá)到 95%，電壓均勻性與 CMOS 邏輯工藝相似，每個(gè)晶圓提供超過(guò) 24,000 個(gè)量子點(diǎn)器件。每個(gè) 12 點(diǎn)芯片可以形成 4 到 12 個(gè)量子比特，這些量子比特可以同時(shí)被隔離和使用，具體取決于研究實(shí)驗(yàn)室如何操作其系統(tǒng)。