國外首列量子芯片——悟空芯生產線，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、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、光量子估算等領域對日本有一定的優勢，對主流的超導量子估算的攻關優勢也較為明顯。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，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公司為代表的企業紛紛涉足量子估算，所以發展迅速。作為行業龍頭企業的帶路人，郭國平理性地判定：“我國量子估算芯片在戰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。假如用數據說話的話，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出54量子比特的可編程超導處理器，聲稱實現了“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。
2019年8月，我國福建學院ChaoSong等人成功研發富含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了全局糾纏。
我國量子估算的行業龍頭南京本源量子，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？
在傳統計算機芯片研究生產領域，俺們產業基礎薄，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的專利技術，對我國產生技術封鎖。而且傳統芯片目前發展速率放緩，早已基本快到頂了。
現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“我們如今是換道會車”，“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”，“傳統芯片有30年的差別我們都沒舍棄，現在量子芯片只有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不依賴于最先進的傳統芯片生產線，在國外早已成熟的生產線上就可以完成。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。
現在她們在“悟空芯”生產線上早已導出24臺有關工藝設備，孵化了3套自研專用設備，生產出1500多個批次流片試制的產品。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，但完全基于傳統半導體工藝，只要科學家能在實驗室里實現樣品芯片，其大規模工業生產理論上不存在問題。
■離子阱量子芯片：估算性能優異，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的相位差形成聯系，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（每位數據位用微觀量子態表示，不僅可以處于0、1狀態之外，能夠同時處于1和0兩種狀態疊加態）。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，用離子的內態基態編碼量子位，而用晶態離子的集體震動聲子態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——專訪本源量子創始人郭國平》
3、《量子芯片的研究現況與應用》