量子芯片，再次破局

中國成功量產(chǎn) 1500 批次量子芯片，性能遠超傳統芯片。多家公司布局量子科技，涉及量子通信、量子計算等領(lǐng)域，推動(dòng)量子科技市場(chǎng)快速發(fā)展。預計到 2030 年，全球量子芯片市場(chǎng)規模有望達到千億美元。

為什么要開(kāi)發(fā)量子芯片？

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

解決復雜問(wèn)題：量子計算機有潛力解決目前傳統計算機無(wú)法解決的復雜問(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：各公司的目標是實(shí)現「量子優(yōu)勢」，即量子計算機能夠比傳統計算機更快或更高效地執行特定任務(wù)。這可能會(huì )為金融、物流和醫療保健等各個(gè)行業(yè)帶來(lái)突破。

競爭優(yōu)勢：公司將量子計算視為競爭優(yōu)勢的源泉。處于量子技術(shù)的前沿可以讓他們在各自的行業(yè)中占據優(yōu)勢并開(kāi)辟新的商機。

由于以上優(yōu)點(diǎn)，大廠(chǎng)公司紛紛布局了量子芯片。

誰(shuí)在開(kāi)發(fā)？

IBM 發(fā)布了兩款新型量子芯片，Condor 和 Heron，分別采用了超導和離子阱技術(shù)。然而，超導量子計算的最大難題是量子糾纏。QuEra 的新型量子計算機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 的新型量子計算機采用了 48 個(gè)邏輯量子比特的設計方案，并采用了模塊化設計思路，可構建更大規模的量子計算機。該成果受到美國政府的資助，對全球科技發(fā)展和競爭格局產(chǎn)生深遠影響。

此外，QuEra 的新型量子計算機還采用了模塊化的設計。這意味著(zhù)不同的模塊可以相互連接在一起，從而構建出更大規模的量子計算機。這種設計思路與目前主流的超導量子計算機類(lèi)似，但是 QuEra 的新型量子計算機具有更高的相干時(shí)間和更低的誤差率，因此在性能上更具優(yōu)勢。

最后，QuEra 的新型量子計算機是由哈佛大學(xué)主導的，背后還有美國國防部高級研究計劃局中等規模帶噪聲量子優(yōu)化計劃的資助。這說(shuō)明美國政府在量子計算領(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(zhù)其他國家在該領(lǐng)域的發(fā)展也需要投入大量的資金和資源，以保持其競爭力。

QuEra 的新型量子計算機采用了不同的技術(shù)路線(xiàn)和設計方案，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。這不僅對于美國政府和企業(yè)在信息安全、金融科技等領(lǐng)域具有重要意義，同時(shí)也將對全球范圍內的科技發(fā)展和競爭格局產(chǎn)生深遠的影響。因此，我們應該密切關(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。對于人類(lèi)而言，這絕對是一個(gè)巨大進(jìn)步，同時(shí)也可以說(shuō)是一個(gè)壞消息。因為量子計算機可以輕松破解各國政府、銀行、企業(yè)所使用的加密協(xié)議，上到國家機密，下到社會(huì )安全號碼，量子計算機都可以破解。這就意味著(zhù)，世界將會(huì )沒(méi)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，這是量子計算的一個(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。谷歌的原理團隊（theory team）已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種基準測試工具來(lái)完成這項任務(wù)。他們可以通過(guò)在設備上應用隨機的量子線(xiàn)路來(lái)分配一個(gè)單一的系統誤差，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)定義良好的計算機科學(xué)問(wèn)題上超越經(jīng)典的超級計算機，這是一項被稱(chēng)為「量子霸權」的成就。這些隨機電路在量子位和計算長(cháng)度（深度）上都必須很大。雖然還沒(méi)有人達到這一目標，但谷歌的計算量子霸權可以用 49 量子位，一個(gè)超過(guò) 40 量子位的線(xiàn)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)于超級計算機的實(shí)驗證明將是這個(gè)領(lǐng)域的分水嶺，并且仍然是他們的主要目標之一。

量子計算公司 Rigetti 提供對其量子處理器和名為 Forest 的量子開(kāi)發(fā)環(huán)境的云訪(fǎng)問(wèn)。他們開(kāi)發(fā)了 Aspen-9 和 Aspen-9Q 等量子芯片。

霍尼韋爾開(kāi)發(fā)了一款與許多其他量子處理器架構不同的量子計算機。他們的設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。

國內多家公司也在布局量子科技，涉及量子通信、量子計算等領(lǐng)域，推動(dòng)量子科技市場(chǎng)快速發(fā)展。

我國宣布成功量產(chǎn)高達 1500 批次的量子芯片，這一壯舉震撼全球。這款被譽(yù)為「中國超級芯片」的量子杰作，其性能之強悍，遠超傳統硅基芯片，效能飆升千倍，而能耗卻幾乎可以忽略不計，僅為傳統芯片的九萬(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)大數據、數字海洋五大業(yè)務(wù)板塊。公司子公司經(jīng)過(guò)初步調研并依托現有業(yè)務(wù)進(jìn)行布局，著(zhù)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，目前已開(kāi)展了相關(guān)器件的極低溫環(huán)境實(shí)驗。

科大國創(chuàng )公司參股投資了國儀量子，國儀量子是一家全球知名的量子科技技術(shù)公司。

銅牛信息與國科量子簽訂了戰略合作協(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、量子應用等方面加強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。此次合作是我國量子通信產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的重要實(shí)踐，亦標志著(zhù)曙光公司作為信息產(chǎn)業(yè)的「國家隊」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 QC Server 重磅發(fā)布，這是我國繼量子保密通信在科研領(lǐng)域走在世界前列之后，在應用和支撐領(lǐng)域又一次全球領(lǐng)先。

浩豐科技擁有量子應用安全服務(wù)平臺的軟件著(zhù)作權，但在量子應用方面如何形成產(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)現了抗量子簽名的算法，并成功開(kāi)發(fā)傳統密碼和抗量子密碼混合模式的密鑰生成以及證書(shū)簽發(fā)功能，完成抗量子算法與數字證書(shū)技術(shù)的結合。

量子霸權如何霸？

過(guò)去十年，人們致力于開(kāi)發(fā)量子計算機，這種計算機可以大幅加快某些計算領(lǐng)域的速度，從而徹底改變物理學(xué)、醫學(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)的量子計算機原型作為概念驗證，已經(jīng)展示了「量子霸權」，即在幾秒鐘內計算出最快的傳統超級計算機需要數千年才能完成的計算結果。

雖然這樣的演示無(wú)疑標志著(zhù)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 )在短期內預示量子計算機的商業(yè)化。為了確保量子技術(shù)在未來(lái)十年的持續發(fā)展，量子計算硬件需要在材料和制造工藝方面取得進(jìn)展，其路徑類(lèi)似于推動(dòng)傳統計算發(fā)展的晶體管技術(shù)不斷擴展。

英特爾在 300 毫米晶圓上實(shí)現量子比特芯片有著(zhù)領(lǐng)先的優(yōu)勢。半導體 CMOS 技術(shù)能夠將數十億個(gè)晶體管壓縮到由 300 毫米晶圓生產(chǎn)的傳統計算機芯片上，英特爾認為相同的技術(shù)可以復制，以構建足以應對實(shí)際應用的量子計算機。這種方法是可行的，因為硅自旋量子比特與半導體晶體管有許多相似之處，而半導體晶體管構成了微處理器的構建功能塊。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(lèi)型更密集，從而可以在單個(gè)芯片上實(shí)現更復雜的量子計算機。英特爾采用的制造方法利用了極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)，這種設備目前通常用于為計算行業(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)現具有數百萬(wàn)個(gè)均勻一致的糾錯量子比特的容錯量子計算機，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)數字將超過(guò)地球上所有人類(lèi)細胞的總數量。

Tunnel Falls 是英特爾迄今為止最先進(jìn)的硅自旋量子比特芯片，它借鑒了該公司數十年的晶體管設計和制造專(zhuān)業(yè)知識。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(chǎng)的 300 毫米晶圓上制造，標志著(zhù)朝著(zhù)構建全棧商業(yè)量子計算系統邁出了下一步，可供缺乏大批量制造機器的量子研究和學(xué)術(shù)界使用。unnel Falls 的使用權加上英特爾量子軟件開(kāi)發(fā)工具包 (QSDK) 的使用權，是實(shí)現量子計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(xiàn)，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(chēng) Tunnel Falls 12 量子比特器件在晶圓級的產(chǎn)量達到 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)驗室如何操作其系統。