提高量子计算实用性，量子芯片是芯片技术的新出路吗？

电子发烧友网报道（文/李宁远）不久前，英特尔正式发布了一款硅自旋量子芯片，命名为“Tunnel Falls”。这也是继去年10月英特尔宣布成功以现有硅半导体技术生产自旋量子计算芯片之后发布的迄今为止最先进的硅自旋量子比特芯片。进展频频的量子计算芯片又朝前突破了一步。

说起量子计算，很多人都会觉得这一技术目前有些天马行空，起码离真正应用还有相当远的距离。诚然目前离量子计算应用场景落地还有一定距离，但国内不少企业和研究机构都加快了量子计算方面的研究。

量子计算如何有望成为改变世界的技术？

量子计算是一种基于量子力学原理的计算技术，利用量子叠加和量子纠缠等量子物理特性执行计算。传统的晶体管使用二进制数据编码0和1表示不同的状态，如同硬币的正反面。而到了量子物理中，这枚硬币是旋转的，处于0和1的连续态空间内，具有叠加态和纠缠态等独特性质。区别于经典计算中的二进制位，量子计算中这一最小单元被称为量子比特。

二进制位只能明确的表示0或者1，而量子比特不同，在旋转中它能表示0和1叠加的状态，每次添加一个量子位的信息，都会以指数方式增加添加的状态数量。利用量子比特的叠加态和纠缠态，将多个量子比特放在一起，这些叠加状态之间又互有关联，就能存储和计算更多的数据。

量子计算快速处理大规模数据的能力能够解决一些经典计算难以解决的问题。密码学是最早提出的量子计算应用之一，量子系统能够在相对较短的时间内解除加密信息，同样的计算交给超级计算机仍旧需要花费大量时间。

目前有不少方法可以制造量子位或单个量子计算设备，如超导量子比特、离子阱量子比特、量子点量子比特等。离子阱量子比特是通过激光来操纵金属原子的激发态来实现，原理类似于2012年诺贝尔物理学奖的粒子控制。超导量子比特使用超导回路和约瑟夫逊结来创建一个非线性LC振荡器电路，其中振荡器的两个状态代表量子位的0/1。量子点量子比特则是使用硅量子点在硅器件中用单个电子编码量子位的状态，英特尔Tunnel Falls就是基于这种技术。

虽然如今的量子系统仅包含数十个或数百个纠缠量子位，还远远不够解决现实世界问题。商用量子系统起码需要扩展到100多万量子位才能真正实用起来，而且还有量子位的脆弱性和软件的可编程性等严峻挑战。

但是和传统计算硬件一样，新技术新硬件一旦突破，颠覆性的算力革新会在短时间内迅速拉开差距。这项能够改变世界的技术在众多从业者的坚持下正朝着更多的量子比特数前进。

量子计算核心—量子芯片

根据MarketsandMarkets最新报告显示，全球量子计算市场规模预计2023年将达到8.66亿美元，到2028年将达到43.75亿美元。从2023年至2028年的复合年增长率为38.3%，量子计算产业正在加速发展。

量子计算这种从根本上完全不同于现在计算逻辑的计算方式，需要从硬件、架构、编译器、应用程序、分类各方面进行研究，才能实现量子计算系统的全部潜力。其中量子芯片是实现量子计算最基础的核心器件。

目前超导量子芯片是占据较大市场份的技术路线，主要优势体现在低功耗、高速度、低温工作能力以及易于控制几方面，IBM、亚马逊、谷歌、华为、阿里巴巴等科技巨头都选择的是这条路线。

去年年末，IBM就推出了最新的超导量子处理器Osprey，通过标准CMOS工艺制造，该芯片是目前公开的超导量子芯片比特数最高的，共433个量子比特，有413个可以访问，量子芯片比特数稳步提升。IMEC涉足的技术路线很广，在12寸晶圆线上制造的超导量子芯片在相干时间性能上也取得了极大的提升，几乎可以达到学术界的理论最佳水平。

国内本源量子已公开的超导量子芯片夸父KF-C24-100是24位量子比特芯片，利用成熟的纳米加工技术和精确设计的脉冲序列，可以实现高保真度的量子逻辑门操作。华为则在去年公布了一项“超导量子芯片”的专利，解决了量子比特的串扰现象、降低信号噪声等问题，在超导量子芯片领域取得了实质性突破。浙大超导量子计算团队的“天目”、“莫干”超导量子芯片系列则在今年公开一款全新的超导量子芯片，平均相干时间达到了100微秒，位居行业领先水平。

图源：本源量子

离子阱量子芯片这一路线在保真度上很高，在计算准确性上有保障，但是线性阱尺度一直制约着芯片量子比特数的拓展。

霍尼韦尔旗下的Quantinuum今年发布的QV达65536的H2量子计算机其中的离子阱量子芯片包含32个完全连接的高保真量子比特，并首次创建了非阿贝尔拓扑量子物质，大幅提升了通用容错量子计算能力。IonQ同样在今年发布的离子阱量子计算系统所用芯片量子比特则达到了25。半导体巨头英飞凌也与eleQtron合作，开始布局离子阱量子处理器。

国内启科量子和华翊量子同样在离子阱路线上耕耘已久，根据旗下量子计算机的性能汆熟来看，各项性能指标均已达到预期，部分性能指标已达到世界领先水平。

硅量子点量子芯片，其优势在于能与成熟的CMOS工艺兼容，更方便实现大规模集成。与超导形成的量子点相比，硅自旋形成的量子点小一百万倍，甚至更小。这种技术可以将数百万甚至数十亿个硅量子点打包到一个类似于先进微处理器的区域上。然后利用已成熟的晶体管制造设备使这些器件确保各个量子比特相互匹配。

这一路线上最领先的无疑是英特尔，利用英特尔最先进的晶体管工业制造能力如EUV以及栅极和接触处理技术在12英寸晶圆线上制造的这款Tunnel Falls有着12位量子比特数，是目前最先进的硅自旋量子比特芯片，基于Tunnel Falls的下一代量子芯片，预计英特尔将于2024年发布。

国内中科大、本源量子也在联手进行硅自旋量子比特的研究，目前已大幅提升了自旋量子比特的性能。

还有光量子这一技术路线，光量子计算芯片领域Xanadu、PSI Quamtum、图灵量子、 国盾量子在近一年内也均了阶段性成果。

写在最后

从量子计算的赛道来看，无论哪种方案都在不断研发取得进展，现在敲定哪种技术能够成为最后赢家还言之尚早，不少厂商还进行了多路线布局。与量子计算相关的光电器件、量子算法和IDE都在持续摸索阶段。硬件、架构、编译器、应用程序、分类各方面的持续更新积累才能最终发挥量子计算的全部潜力。

量子芯片另起炉灶，完全不依赖现有的硅基芯片产业链，在这条全新的产业链上目前各地区各厂商都在不遗余力地进行军备竞赛，可以说谁先完成技术突破，率先推进量子芯片落地商用，谁就将在未来取得芯片技术的主导权。