國外首列量子芯片——悟空芯生產(chǎn)線，自2022年1月在湖南宜昌投入營運一年以來，已交付了多個批次的量子芯片，這些量子芯片是專門為“悟空”量子計算機配套的。
量子計算機“悟空”
量子估算，我們那里行？
量子估算你們常常看到，并不陌生，而且量子芯片是哪些呢？簡單講就是量子計算機的“大腦”。有人認為這會不會又是騙經(jīng)費的項目呢？帶著這個疑惑，我們來深度探究一下。
在說題外話之前，小編先長長自家志氣，瞧瞧俺們在量子估算領域有什么拿得出手的本領。提及量子估算，雖然這是一個研究范圍很大的領域，有些方面歐美俄做得不錯，但有些方面我們則更為領先。
下邊兩張圖表清晰地表明日本在量子算法、量子估算模型、量子比特的化學實現(xiàn)、量子計算機的核心量子糾錯等方面要強于我國，然而俺們得益于量子通訊的研究優(yōu)勢，在量子糾纏、量子退相干、量子傳輸合同、光量子估算等領域?qū)θ毡居幸欢ǖ膬?yōu)勢，對主流的超導量子估算的攻關優(yōu)勢也較為明顯。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？
其實也不要盲目尊大。20世紀80年代量子估算的概念最早出現(xiàn)，化學學家保羅·貝尼奧夫奠定了量子估算的基礎；到了90年代，加拿大貝爾實驗室的科學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，量子估算對于我國而言還是陌生未知的領域。這樣看我們與俄羅斯有著大概20年的科研和技術發(fā)展差別。并且，僅僅過了10年量子傳輸速率，我們跟世界先進水平之間是哪些關系呢？
負責“悟空”量子計算機研發(fā)的本源量子負責人郭國平給出了自己的理解。他覺得未來各國國力的競爭就是算力的競爭，量子計算機顛覆了傳統(tǒng)的估算方法，形象地大約比較一下，一臺量子計算機一秒的算力與1600臺傳統(tǒng)計算機的算力相當，所以就成了“兵家必爭之地”。
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，郭國平理性地判定：“我國量子估算芯片在戰(zhàn)術層面仍處于落后的位置，與美國最先進技術有3年左右的差別，且差別有擴大的趨勢。”這就是我們在這場全球爭奪中的位置。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驗室研發(fā)出54量子比特的可編程超導處理器，聲稱實現(xiàn)了“量子霸權”。
■IBM公司：也旨在于超導量子估算，宣布搞定了50量子位的計算機，并在2020年9月發(fā)布了65量子比特的處理器，并計劃在2021~2023年分別推出127、433、1121量子比特的處理器‘’
■英特爾公司：重點研制基于硅載流子量子比特的商用量子計算機，在2018年初交付了49量子位的超導測試芯片，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（超導量子比特和載流子量子比特）。
■IonQ公司：重點探求軟禁離子量子估算，是這個路徑的領軍者。2020年10月公布了32量子比特的量子計算機系統(tǒng)。
2019年8月，我國福建學院ChaoSong等人成功研發(fā)富含20個量子比特的超導量子芯片，并通過該量子芯片成功實現(xiàn)了全局糾纏。
我國量子估算的行業(yè)龍頭南京本源量子，技術力量始于中國科技學院，在2017年10月上線“本源量子估算云平臺”，采用超導量子芯片；并于2020年9月推出超導量子計算機——本源悟源，搭載了6比特超導量子處理器夸父KFC6-130。
俺們能不能彎道會車？
在傳統(tǒng)計算機芯片研究生產(chǎn)領域，俺們產(chǎn)業(yè)基礎薄，起步又晚，所以仍然在瞄準國際先進水平在追趕，然而人家憑借加碼早，早早搶占了絕大多數(shù)的專利技術，對我國產(chǎn)生技術封鎖。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，國際先進水平并沒有落下我們多少，有的甚至我們在領跑。所以郭國平中肯地講“我們?nèi)缃袷菗Q道會車”，“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年的差別更應當咬得住”。
談會車尚早，而且俺們有“換道會車”的可能。這是由于量子估算芯片的研發(fā)不依賴于最先進的傳統(tǒng)芯片生產(chǎn)線，在國外早已成熟的生產(chǎn)線上就可以完成。因為量子估算是新玩法，盡管有英國等公司依然在專利技術領域跑馬圈地，然而俺們也在努力地擴大地盤，鹿死誰手還不一定呢。諸如量子本源就把未來的六大研制方向，分別是量子計算機、量子芯片、量子測控、量子軟件、量子云、量子人工智能。
現(xiàn)在她們在“悟空芯”生產(chǎn)線上早已導出24臺有關工藝設備，孵化了3套自研專用設備，生產(chǎn)出1500多個批次流片試制的產(chǎn)品。并且郭國平卻說：功成毋須在我，或許他這輩子都看不到真正的量子計算機的誕生，并且在下一次技術變遷將至的時侯，中國人不要再被“卡舌頭”，等后人研制下來后，別忘了給他“燒”上一臺。
硬核科普——量子芯片
量子芯片是量子計算機的核心部件。目前有三種量子芯片被廣泛研究，分別是：超導、半導體和離子阱量子芯片。三種芯片各有利弊：
■超導量子芯片：電路設計難度隨著比特數(shù)增多而減小。
■導體量子芯片：估算性能不如另兩種，但完全基于傳統(tǒng)半導體工藝，只要科學家能在實驗室里實現(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。
超導量子芯片：可以借助微納加工工藝，超導約瑟夫森結是其核心器件。中間的絕緣層寬度通常大于10納米，這樣兩塊超導體內(nèi)的電子對通過隧穿效應穿過絕緣層可以抵達另一邊。元件的外界電磁偏置使兩塊超導體的波函數(shù)的相位差形成聯(lián)系，促使電子具有相當高的橫躍此薄層量子熱學的振幅。這些量子隧穿效應可以拿來制做量子元件。
約瑟夫森結
半導體量子芯片：就是才能進行邏輯運算和處理量子信息過程的量子處理器，基于門控量子點操縱單電子載流子，是研發(fā)量子計算機的核心元件，類比于精典計算機全電控的半導體中央處理器（CPU）。差異在于傳統(tǒng)計算機使用二補碼的精典比特（用晶體管高低電平表示0和1），而量子計算機采用量子比特（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，能夠同時處于1和0兩種狀態(tài)疊加態(tài)）。制備時首先通過分子束外延生長富含二維電子的基片材料；之后，通過高分辨電子束蝕刻、光學蝕刻等制備量子點結構的圖形；最后，通過電子束蒸發(fā)金屬鍍膜，再借助金屬剝離技術，獲得半導體量子點芯片元件。
離子阱量子比特之間的互相斥力為庫侖力。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)離子的集體震動聲子態(tài)編碼運動量子比特位。用于形成量子比特的原子就在芯片的中心位置，被迸發(fā)并被電磁場和庫侖互相作用所禁錮。在高真空中使用電磁場捕獲離子化的原子可產(chǎn)生電離后原子的勢阱。
不同構型的離子阱結布光
結語
期盼我國未來能在量子估算的眾多領域才能換道會車成功，不再被美國卡手臂，沒準反過來我們也能卡卡個別不友好國家的肩膀。
參考資料，特此致謝！
1、《中美量子估算研制現(xiàn)況對比剖析及啟示》
2、《量子估算辟蹊徑科教報議會有時——專訪本源量子創(chuàng)始人郭國平》
3、《量子芯片的研究現(xiàn)況與應用》