國(guó)外首列量子芯片——悟空芯生產(chǎn)線，自2022年1月在湖南宜昌投入營(yíng)運(yùn)一年以來，已交付了多個(gè)批次的量子芯片，這些量子芯片是專門為“悟空”量子計(jì)算機(jī)配套的。
量子計(jì)算機(jī)“悟空”
量子估算，我們那里行？
量子估算你們常?？吹?，并不陌生，而且量子芯片是哪些呢？簡(jiǎn)單講就是量子計(jì)算機(jī)的“大腦”。有人認(rèn)為這會(huì)不會(huì)又是騙經(jīng)費(fèi)的項(xiàng)目呢？帶著這個(gè)疑惑，我們來深度探究一下。
在說題外話之前，小編先長(zhǎng)長(zhǎng)自家志氣，瞧瞧俺們?cè)诹孔庸浪泐I(lǐng)域有什么拿得出手的本領(lǐng)。提及量子估算，雖然這是一個(gè)研究范圍很大的領(lǐng)域，有些方面歐美俄做得不錯(cuò)，但有些方面我們則更為領(lǐng)先。
下邊兩張圖表清晰地表明日本在量子算法、量子估算模型、量子比特的化學(xué)實(shí)現(xiàn)、量子計(jì)算機(jī)的核心量子糾錯(cuò)等方面要強(qiáng)于我國(guó)，然而俺們得益于量子通訊的研究?jī)?yōu)勢(shì)，在量子糾纏、量子退相干、量子傳輸合同、光量子估算等領(lǐng)域?qū)θ毡居幸欢ǖ膬?yōu)勢(shì)，對(duì)主流的超導(dǎo)量子估算的攻關(guān)優(yōu)勢(shì)也較為明顯。所以毋須妄自菲薄，咱還是可以的。
量子估算，我們那里還不行？
其實(shí)也不要盲目尊大。20世紀(jì)80年代量子估算的概念最早出現(xiàn)，化學(xué)學(xué)家保羅·貝尼奧夫奠定了量子估算的基礎(chǔ)；到了90年代，加拿大貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家提出了量子分解算法和量子搜索算法。要曉得在10年前的2013年，量子估算對(duì)于我國(guó)而言還是陌生未知的領(lǐng)域。這樣看我們與俄羅斯有著大概20年的科研和技術(shù)發(fā)展差別。并且，僅僅過了10年量子傳輸速率，我們跟世界先進(jìn)水平之間是哪些關(guān)系呢？
負(fù)責(zé)“悟空”量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的本源量子負(fù)責(zé)人郭國(guó)平給出了自己的理解。他覺得未來各國(guó)國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)就是算力的競(jìng)爭(zhēng)，量子計(jì)算機(jī)顛覆了傳統(tǒng)的估算方法，形象地大約比較一下，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)一秒的算力與1600臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力相當(dāng)，所以就成了“兵家必爭(zhēng)之地”。
近些年來，日本以微軟、IBM、英特爾、IonQ公司為代表的企業(yè)紛紛涉足量子估算，所以發(fā)展迅速。作為行業(yè)龍頭企業(yè)的帶路人，郭國(guó)平理性地判定：“我國(guó)量子估算芯片在戰(zhàn)術(shù)層面仍處于落后的位置，與美國(guó)最先進(jìn)技術(shù)有3年左右的差別，且差別有擴(kuò)大的趨勢(shì)。”這就是我們?cè)谶@場(chǎng)全球爭(zhēng)奪中的位置。假如用數(shù)據(jù)說話的話，你們可以看一下：
■谷歌公司：主要旨在于超導(dǎo)量子估算，2018年3月發(fā)布了72量子位的處理器；2019年10月微軟量子人工智能實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出54量子比特的可編程超導(dǎo)處理器，聲稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。
■IBM公司：也旨在于超導(dǎo)量子估算，宣布搞定了50量子位的計(jì)算機(jī)，并在2020年9月發(fā)布了65量子比特的處理器，并計(jì)劃在2021~2023年分別推出127、433、1121量子比特的處理器‘’
■英特爾公司：重點(diǎn)研制基于硅載流子量子比特的商用量子計(jì)算機(jī)，在2018年初交付了49量子位的超導(dǎo)測(cè)試芯片，被視為里程碑；在2019年12月公布首款高溫控制芯片HorseRidge，就能控制多種量子比特（超導(dǎo)量子比特和載流子量子比特）。
■IonQ公司：重點(diǎn)探求軟禁離子量子估算，是這個(gè)路徑的領(lǐng)軍者。2020年10月公布了32量子比特的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
2019年8月，我國(guó)福建學(xué)院ChaoSong等人成功研發(fā)富含20個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片，并通過該量子芯片成功實(shí)現(xiàn)了全局糾纏。
我國(guó)量子估算的行業(yè)龍頭南京本源量子，技術(shù)力量始于中國(guó)科技學(xué)院，在2017年10月上線“本源量子估算云平臺(tái)”，采用超導(dǎo)量子芯片；并于2020年9月推出超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)——本源悟源，搭載了6比特超導(dǎo)量子處理器夸父KFC6-130。
俺們能不能彎道會(huì)車？
在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片研究生產(chǎn)領(lǐng)域，俺們產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄，起步又晚，所以仍然在瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平在追趕，然而人家憑借加碼早，早早搶占了絕大多數(shù)的專利技術(shù)，對(duì)我國(guó)產(chǎn)生技術(shù)封鎖。而且傳統(tǒng)芯片目前發(fā)展速率放緩，早已基本快到頂了。
現(xiàn)今的量子估算芯片卻是一條新賽道，在這條賽道上，國(guó)際先進(jìn)水平并沒有落下我們多少，有的甚至我們?cè)陬I(lǐng)跑。所以郭國(guó)平中肯地講“我們?nèi)缃袷菗Q道會(huì)車”，“不過他人也很精明量子傳輸速率，我們能想到的他人也早想到了”，“傳統(tǒng)芯片有30年的差別我們都沒舍棄，現(xiàn)在量子芯片只有3年的差別更應(yīng)當(dāng)咬得住”。
談會(huì)車尚早，而且俺們有“換道會(huì)車”的可能。這是由于量子估算芯片的研發(fā)不依賴于最先進(jìn)的傳統(tǒng)芯片生產(chǎn)線，在國(guó)外早已成熟的生產(chǎn)線上就可以完成。因?yàn)榱孔庸浪闶切峦娣?，盡管有英國(guó)等公司依然在專利技術(shù)領(lǐng)域跑馬圈地，然而俺們也在努力地?cái)U(kuò)大地盤，鹿死誰(shuí)手還不一定呢。諸如量子本源就把未來的六大研制方向，分別是量子計(jì)算機(jī)、量子芯片、量子測(cè)控、量子軟件、量子云、量子人工智能。
現(xiàn)在她們?cè)凇拔蚩招尽鄙a(chǎn)線上早已導(dǎo)出24臺(tái)有關(guān)工藝設(shè)備，孵化了3套自研專用設(shè)備，生產(chǎn)出1500多個(gè)批次流片試制的產(chǎn)品。并且郭國(guó)平卻說：功成毋須在我，或許他這輩子都看不到真正的量子計(jì)算機(jī)的誕生，并且在下一次技術(shù)變遷將至的時(shí)侯，中國(guó)人不要再被“卡舌頭”，等后人研制下來后，別忘了給他“燒”上一臺(tái)。
硬核科普——量子芯片
量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的核心部件。目前有三種量子芯片被廣泛研究，分別是：超導(dǎo)、半導(dǎo)體和離子阱量子芯片。三種芯片各有利弊：
■超導(dǎo)量子芯片：電路設(shè)計(jì)難度隨著比特?cái)?shù)增多而減小。
■導(dǎo)體量子芯片：估算性能不如另兩種，但完全基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝，只要科學(xué)家能在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)樣品芯片，其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)理論上不存在問題。
■離子阱量子芯片：估算性能優(yōu)異，但容積龐大。
超導(dǎo)量子芯片：可以借助微納加工工藝，超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)是其核心器件。中間的絕緣層寬度通常大于10納米，這樣兩塊超導(dǎo)體內(nèi)的電子對(duì)通過隧穿效應(yīng)穿過絕緣層可以抵達(dá)另一邊。元件的外界電磁偏置使兩塊超導(dǎo)體的波函數(shù)的相位差形成聯(lián)系，促使電子具有相當(dāng)高的橫躍此薄層量子熱學(xué)的振幅。這些量子隧穿效應(yīng)可以拿來制做量子元件。
約瑟夫森結(jié)
半導(dǎo)體量子芯片：就是才能進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理量子信息過程的量子處理器，基于門控量子點(diǎn)操縱單電子載流子，是研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的核心元件，類比于精典計(jì)算機(jī)全電控的半導(dǎo)體中央處理器（CPU）。差異在于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用二補(bǔ)碼的精典比特（用晶體管高低電平表示0和1），而量子計(jì)算機(jī)采用量子比特（每位數(shù)據(jù)位用微觀量子態(tài)表示，不僅可以處于0、1狀態(tài)之外，能夠同時(shí)處于1和0兩種狀態(tài)疊加態(tài)）。制備時(shí)首先通過分子束外延生長(zhǎng)富含二維電子的基片材料；之后，通過高分辨電子束蝕刻、光學(xué)蝕刻等制備量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的圖形；最后，通過電子束蒸發(fā)金屬鍍膜，再借助金屬剝離技術(shù)，獲得半導(dǎo)體量子點(diǎn)芯片元件。
離子阱量子比特之間的互相斥力為庫(kù)侖力。在該類型芯片中，用離子的內(nèi)態(tài)基態(tài)編碼量子位，而用晶態(tài)離子的集體震動(dòng)聲子態(tài)編碼運(yùn)動(dòng)量子比特位。用于形成量子比特的原子就在芯片的中心位置，被迸發(fā)并被電磁場(chǎng)和庫(kù)侖互相作用所禁錮。在高真空中使用電磁場(chǎng)捕獲離子化的原子可產(chǎn)生電離后原子的勢(shì)阱。
不同構(gòu)型的離子阱結(jié)布光
結(jié)語(yǔ)
期盼我國(guó)未來能在量子估算的眾多領(lǐng)域才能換道會(huì)車成功，不再被美國(guó)卡手臂，沒準(zhǔn)反過來我們也能卡卡個(gè)別不友好國(guó)家的肩膀。
參考資料，特此致謝！
1、《中美量子估算研制現(xiàn)況對(duì)比剖析及啟示》
2、《量子估算辟蹊徑科教報(bào)議會(huì)有時(shí)——專訪本源量子創(chuàng)始人郭國(guó)平》
3、《量子芯片的研究現(xiàn)況與應(yīng)用》