安徽合肥：國內首條量子芯片生產線投運！我們與國際先進只差3年

國內首條量子芯片——悟空芯生產線，自2022年1月在安徽合肥投入運營一年以來，已交付了多個批次的量子芯片，這種量子芯片是專門為“悟空”量子計算機配套的。

量子計算機“悟空”

量子計算，我們哪里行？

量子計算大家經常聽到，并不陌生，但是量子芯片是什么呢？簡單講就是量子計算機的“大腦”。有人覺得這會不會又是騙經費的項目呢？帶著這個疑問，我們來深度探究一下。

在說正題之前，小編先長長自家志氣，看看咱們在量子計算領域有哪些拿得出手的本領。提到量子計算，其實這是一個研究范圍很大的領域，有些方面歐美日做得不錯，但有些方面我們則更為領先。

下面兩張圖表清晰地表明美國在量子算法、量子計算模型、量子比特的物理實現、量子計算機的核心量子糾錯等方面要強于我國，但是咱們得益于量子通信的研究優勢，在量子糾纏、量子退相干、量子傳輸協議、光量子計算等領域對美國有一定的優勢，對主流的超導量子計算的攻關優勢也較為顯著。所以不必妄自菲薄，咱還是可以的。

量子計算，我們哪里還不行？

當然也不要盲目尊大。20世紀80年代量子計算的概念最早出現，物理學家保羅·貝尼奧夫奠定了量子計算的基礎；到了90年代，美國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。要知道在10年前的2013年，量子計算對于我國而言還是陌生未知的領域。這樣看我們與美國有著大約20年的科研和技術發展差距。但是，僅僅過了10年，我們跟世界先進水平之間是什么關系呢？

負責“悟空”量子計算機研制的本源量子負責人郭國平給出了自己的理解。他認為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計算方式，形象地大概比較一下，一臺量子計算機1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”。

近年來，美國以谷歌、IBM、英特爾、IonQ公司為代表的企業紛紛進軍量子計算，所以發展迅速。作為行業龍頭企業的帶路人，郭國平理智地判斷：“我國量子計算芯片在戰術層面仍處于落后的位置，與國外最先進技術有3年左右的差距，且差距有擴大的趨勢?！边@就是我們在這場全球角逐中的位置。如果用數據說話的話，大家可以看一下：

■ 谷歌公司：主要致力于超導量子計算，2018年3月發布了72量子位的Bristlecone處理器；2019年10月谷歌量子人工智能實驗室研制出54量子比特的可編程超導Sycamore處理器，宣稱實現了“量子霸權”。

■ IBM公司：也致力于超導量子計算，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Hummingbird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：重點研發基于硅自旋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月公布首款低溫控制芯片Horse Ridge，能夠控制多種量子比特（超導量子比特和自旋量子比特）。

■ IonQ公司：重點探索囚禁離子量子計算，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，我國浙江大學Chao Song 等人成功研制含有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。

我國量子計算的行業龍頭合肥本源量子，技術力量源于中國科技大學，在2017年10月上線“本源量子計算云平臺”，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KF C6-130。

咱們能不能彎道超車？

在傳統計算機芯片研究生產領域，咱們產業基礎薄，起步又晚，所以一直在瞄準國際先進水平在追趕，但是人家憑著發力早，早早占據了絕大多數的專利技術，對我國形成技術封鎖。但是傳統芯片目前發展速度趨緩，已經基本快到頂了。

現在的量子計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“我們現在是換道超車”，“不過別人也很精明，我們能想到的別人也早想到了”，“傳統芯片有30年的差距我們都沒放棄，如今量子芯片只有3年的差距更應該咬得住”。

談超車尚早，但是咱們有“換道超車”的可能。這是因為量子計算芯片的研制不依賴于最先進的傳統芯片生產線，在國內已經成熟的生產線上就可以完成。由于量子計算是新玩法，雖然有美國等公司仍然在專利技術領域跑馬圈地，但是咱們也在努力地擴大地盤，鹿死誰手還不一定呢。比如量子本源就把未來的六大研發方向，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。

如今他們在“悟空芯”生產線上已經導入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。但是郭國平卻說：功成不必在我，也許他這輩子都看不到真正的量子計算機的誕生，但是在下一次技術變革來臨的時候，中國人不要再被“卡脖子”，等后人研發出來后，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。三種芯片各有優劣：

■ 超導量子芯片：電路設計難度隨著比特數增多而增大。

■ 導體量子芯片：計算性能不如另兩種，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：計算性能優異，但體積龐大。

超導量子芯片：可以利用微納加工工藝，超導約瑟夫森結是其核心元件。中間的絕緣層厚度一般小于10納米，這樣兩塊超導體內的Cooper 電子對通過隧穿效應穿過絕緣層可以到達另一邊。器件的外界電磁偏置使兩塊超導體的波函數的相位差產生聯系，使得電子具有相當高的橫躍此薄層量子力學的振幅。這種量子隧穿效應可以用來制作量子器件。

約瑟夫森結

半導體量子芯片：就是能夠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自旋，是研制量子計算機的核心器件，類比于經典計算機全電控的半導體中央處理器（CPU）。差別在于傳統計算機使用二進制的經典比特（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（每個數據位用微觀量子態表示，除了可以處于0、1狀態之外，還能同時處于1和0兩種狀態 疊加態）。制備時首先通過分子束外延生長含有二維電子的基片材料；然后，通過高分辨電子束刻蝕、光學刻蝕等制備量子點結構的圖形；最后，通過電子束蒸發金屬鍍膜，再利用金屬剝離技術，獲得半導體量子點芯片器件。

離子阱量子比特之間的相互作用力為庫侖力。在該類型芯片中，用離子的內態能級編碼量子位，而用晶態離子的集體振動聲子態編碼運動量子比特位。用于產生量子比特的原子就在芯片的中心位置，被激發并被電磁場和庫侖相互作用所束縛。在高真空中使用電磁場捕獲離子化的原子可形成電離后原子的勢阱。

不同構型的離子阱結構圖

結語

期待我國未來能在量子計算的諸多領域能夠換道超車成功，不再被國外卡脖子，沒準反過來我們也能卡卡某些不友好國家的脖子。

參考資料，特此致謝！

1、《中美量子計算研發現狀對比分析及啟示》

2、《量子計算辟蹊徑 科教報國會有時 ——專訪本源量子創始人郭國平》

3、《量子芯片的研究現狀與應用》