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如何评价中国最新研发的量子芯片？ - 知乎

如何评价中国最新研发的量子芯片？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答​切换模式登录/注册物理学量子量子物理计算机科学科学如何评价中国最新研发的量子芯片？中国弯道超车？显示全部 ​关注者11被浏览24,437关注问题​写回答​邀请回答​好问题 1​添加评论​分享​5 个回答默认排序本源量子​已认证账号​ 关注目前，对于量子计算机的研究有以下几种构建量子芯片的技术路径：超导量子电路、半导体量子点、离子阱、量子拓扑、金刚石空位、光量子技术。国际上，以谷歌、IBM为代表的企业主攻超导量子电路技术，IBM在去年推出了28个量子比特的量子计算机，谷歌使用53个比特的sycamore超导量子芯片实现了“量子霸权”。国内目前发展较好的有光量子技术与超导、半导体量子点技术。以中国科学技术大学为代表的科研院所在光量子量子计算机方面较为领先。在企业方面，本源量子目前发布了6比特超导量子芯片与2比特半导体量子芯片，并计划于2020年推出国内首台脱离实验室环境的量子计算机原型机。可以看出，目前在量子计算机的竞争上，中国还处于追赶欧美先进水平的过程中，但差距要远小于经典计算机上的代际差距。所以说，在量子计算领域实现弯道超车并非不可能。如果想继续了解量子力学或量子计算相关知识，请关注本源量子 微信公众号发布于 2020-03-26 10:10​赞同 9​​添加评论​分享​收藏​喜欢收起​赫尔辛根默斯肯​老肯和童话故事​ 关注西方始料未及，中国第1条量子芯片正式投产，光刻机白限制了？芯片是现代工业的大脑，很多电子产品没有芯片就会陷入瘫痪当中，所以芯片是夺取制造业制高点的关键。尤其是在未来人工智能高速发展的情况下，高端芯片更是有可能成为决定各个国家产业竞争力的关键因素之一。也正因为意识到芯片的重要性，所以最近几年全球各国都非常注重对芯片的发展，有些国家为了保证他们继续领先地位，甚至通过一些乱七八糟的手段来限制其他国家半导体产业的发展。对于西方这种限制措施，包括我国在内的其他国家也在积极寻找替代方案，其中量子芯片就是我国实现突破的关键技术之一。相比传统芯片来说，量子芯片功能更强大，计算速度也更快。比如6月初，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队基于“九章”光量子计算原型机完成了对“稠密子图”和“Max-Haf”两类图论问题的求解，相比全球最快超级计算机使用当前最优经典算法精确模拟同一实验的速度快约1.8亿倍。而且如今中国的量子芯片研发已经处于全球前列，中国第1条量子芯片已经正式投产。6月末，位于合肥的本源量子计算科技公司第1条量子芯片生产线正式投产，这是中国第一家量子计算公司，我国第1台交付使用的量子计算机也将在这诞生。那这条量子芯片生产线到底长啥样呢？它有什么强大的功能呢？量子芯片是一种比较新的概念，所以它的生产过程跟传统的硅基芯片还是有一些差别的，在生产的过程当中，使用到的设备主要包括低温电子器件、量子芯片放大器、量子芯片测试仪、量子芯片探针卡等。具体生产过程主要是在硅基单量子点上生产量子点，再通过仪器加工成量子芯片，最后再将这些量子芯片放入到量子计算机当中进行最后的调试。相比量子芯片的制造而言，量子计算机的制造就非常复杂了，量子计算机最核心的技术就是量子体比特的实现。在运行的过程当中，量子比特通过减少量子纠缠关系、控制量子纠缠关系以及对比特进行操作来实现计算。整个制造过程需要使用到多种仪器和设备进行加工和调试，比如Si/Ge电子学制程、光刻工艺和强出射等。从整体来说，这种量子芯片的制造过程要比普通的芯片环节更少，但技术要求明显更高。说到这，很多网友可能比较关注一些问题。第一、量子芯片生产所使用的设备是国产还是进口？大家都知道目前我国的芯片行业之所以迟迟没有太大的突破，最直接的一个原因是我们有很多核心设备都没有掌握技术，都需要从外部进口，尤其是对于14纳米以下的芯片制造，很多先进设备对外部依赖度比较大，一旦外部限制向我国出口这些先进设备，我们就很难有太大的突破。比如最近一段时间，日本、荷兰等一些国家就出台措施限制向中国出口一些先进半导体设备，其目的就是为了限制中国14纳米以下先进芯片的发展。正因为有了这种经历，所以很多人都非常关注我国量子芯片的生产设备到底是国产还是从外部进口？至于量子芯片生产过程当中需不需要用到一些进口设备，我们不太清楚，但可以肯定是，我国量子芯片已经形成了相对比较完善的产业链，我们已经成功开发出国产自主量子芯片设计软件及国产量子芯片无损检测(比如NDPT-100无损探针仪)，激光修复(比如 MLLAS-100激光退火仪)等核心硬件设备，这些设备就像传统芯片制造过程的光刻机一样，是量子芯片的工业母机，所以对外部的依赖度明显要比传统芯片低很多。第二、量子芯片生产需要用到光刻机吗？在传统的芯片制造过程当中，光刻机是非常核心的一个设备，光刻机占整个芯片的生产成本可以达到25%左右。而光刻机一直是我国半导体行业的一个痛点，目前全球最先进的光刻机被荷兰的ASML垄断，想要制造7纳米以下芯片，只能采购他们的EUV光刻机。因为有垄断优势，所以ASML的光刻机售价非常昂贵，一台先进光刻机售价都达到1亿美元以上，用于制造2纳米的最先进光刻机甚至达到4亿美元，一台光刻机就差不多可以买三台空客A320飞机了。但就算EUV光刻机再贵，我们有钱也买不到，因为各种各样的原因，ASML不能向我国出口EUV光刻机，所以导致我国的先进芯片制造没法取得太大的突破。那在量子芯片的生产过程当中，是否需要用到光刻机呢？我们是否会被外部卡住脖子呢？首先可以肯定的是，在量子芯片的生产过程当中，有部分工艺和零部件确实需要用到光刻机，只不过对光刻机的工艺要求并不是很高。比如微观光路就可以采用传统的中低端光刻机进行制造，这种中低端光刻机我国就可以自行生产。但光刻机并不是量子芯片最核心的机器，量子芯片最核心的设备是激光设备以及无损探测仪等，目前这些核心设备我国已经实现了独立自主，所以不用担心被别人卡住脖子。这意味着未来如果我我国的量子芯片能够得到大范围的应用，我们就能够摆脱对西方先进光刻机的依赖。对于这种突破，我相信西方很多国家都是始料未及的，他们千方百计限制向中国出口光刻机等一些先进半导体设备，但如果中国能够在激光芯片领域实现新的突破，那就让他们限制了个寂寞。当然，目前量子芯片的应用还处于初级阶段，短期还很难进入大家的日常生活，所以我们还没法摆脱对光刻机的依赖，国产芯片想要生产14nm以下的芯片，还是得依赖进口ASML的光刻机，这是短期内最优的路线。但未来随着量子芯片技术的不断进步，随着量子计算机量子芯片尺寸的不断减小，我相信迟早有一天我们会走出具有中国特色的半导体路线，到时就不用看其他国家的脸色了。毒舌财经 原创 2023-7-5 08:04 · 来自广东 · 优质财经领域创作者发布于 2023-07-05 11:30​赞同 17​​2 条评论​分享​收藏​喜欢

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_百度百科 网页新闻贴吧知道网盘图片视频地图文库资讯采购百科百度首页登录注册进入词条全站搜索帮助首页秒懂百科特色百科知识专题加入百科百科团队权威合作下载百科APP个人中心量子芯片播报讨论上传视频量子生物术语收藏查看我的收藏0有用+10本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。所谓量子芯片就是将量子线路集成在基片上，进而承载量子信息处理的功能。借鉴于传统计算机的发展历程，量子计算机的研究在克服瓶颈技术之后，要想实现商品化和产业升级，需要走集成化的道路。超导系统、半导体量子点系统、微纳光子学系统、甚至是原子和离子系统，都想走芯片化的道路。从发展看，超导量子芯片系统从技术上走在了其它物理系统的前面；传统的半导体量子点系统也是人们努力探索的目标，因为毕竟传统的半导体工业发展已经很成熟，如半导体量子芯片在退相干时间和操控精度上一旦突破容错量子计算的阈值，有望集成传统半导体工业的现有成果，大大节省开发成本。中文名量子芯片外文名QuantumChip领    域量子物理 量子生物载    体基片应    用超导系统、半导体量子点系统、微纳光子学系统等发表时间 2015年7月17日目录1研究2人工智能3可防盗刷研究播报编辑中科院量子信息重点实验室教授郭国平、肖明与合作者成功实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门，成果于2015年7月17日发表在《自然—通讯》上 [1]。中科院量子信息重点实验室郭国平教授半导体量子芯片研究组及其合作者又破世界纪录，通过实验成功实现世界上最快速量子逻辑门操作，取得半导体量子芯片研究的重要突破。 [2]传统砷化镓半导体量子点量子比特研究 [3]半导体量子点由于其良好的扩展性和集成性是实现固态量子计算的最有力候选者。由单电子在双量子点中的左右量子点的占据态编码的电荷量子比特有众多的优越性，成为量子计算研究最热门的研究方向。首先，电荷量子比特门操作速度可以较大范围的调节，达到GHz的频率；其次，电荷量子比特的制备、操控和读取可以用全电学操控来完成；最后，电子电荷自由度作为量子比特可以与现有信息处理技术兼容，并且可以利用先进的半导体工艺技术完成大面积的扩展和集成。一个单量子比特逻辑门操控和一个两量子比特受控非门可以组合任意一个普适量子逻辑门操控，而实现普适量子逻辑门操控是实现量子信息处理过程的最关键技术。国际上主要有美国哈佛大学、威斯康星大学等集中在电子电荷量子比特的量子计算研究，我们研究团队在2013年成功实现了半导体超快普适单比特量子逻辑门（Nat. Commun.，4.1401，2013），经过两年的摸索和积累，研究组在2015年成功实现两个电荷量子比特的控制非门，其操控最短在200皮秒以内完成。相对于国际上电子自旋两量子比特的最高水平，新的半导体两量子比特的操控速度提高了数百倍。单比特和两比特的量子逻辑门的完成，表明量子计算所需的所有基本量子逻辑门都可以在半导体上通过全电控制方式实现。这种方式具有操控方便、速度超快、可集成化、并兼容传统半导体电子技术等重要优点，是进一步研制实用化半导体量子计算的坚实基础。图示为单量子比特操控和两量子比特操控实验样品和实验测量图。新型非掺杂砷化镓和硅锗异质结量子比特的制备和操控研究传统的砷化镓量子点是基于掺杂的砷化镓铝异质结中的二维电子气上形成的。由于掺杂不可避免的削弱电子电荷和自旋的稳定性，从而增加了量子比特受到掺杂电子电荷噪声的影响，缩短了量子比特的弛豫时间，加快了量子比特的的退相干过程。以解决上述问题为目标，分别采用非掺杂GaAs和SiGe异质结进行新型双层结构量子点器件的设计和制备，减小电荷噪声的影响，排除核自旋的影响，延长量子比特的退相干时间，实现单电子电荷和自旋量子比特的制备、测量和操控。新型量子点器件是继承传统量子点器件可集成性等优势的同时，又具有高迁移率、强稳定性的增强型量子点研究体系，是实现多量子比特耦合的基础。基于非掺杂砷化镓异质结的电荷量子比特和基于非掺杂SiGe异质结的电子自旋量子比特研究都是相关研究中的新兴热门领域，特别是基于SiGe量子点的自旋量子比特由于其没有核自旋，具有较长的量子退相干时间。我们研究团队成功制备了两种材料的双量子点器件，完成了砷化镓量子点的表征和电子弛豫时间以及退相干时间的测量，正在开展进一步的实验研究。图示为新型非掺杂砷化镓和硅锗双量子点样品的结构图和实验测量。半导体量子点与超导腔耦合的复合量子比特以及多量子比特扩展基于半导体量子点的量子计算方案都是利用相邻量子点量子比特之间的交换相互作用来实现多比特的量子逻辑门操作，非近邻量子比特之间的逻辑门操作需要通过一系列近邻门操作组合完成，这大大增加了计算过程中逻辑门操作的数量和难度。最近有些理论工作提出借用超导量子比特系统中的超导传输谐振腔等概念来实现半导体量子点非近邻量子比特耦合的量子数据总线，但是相应的实验还处于起步和摸索阶段。不过半导体量子点和超导谐振腔为我们提供一种崭新的物理体系，同时很好的兼容了传统半导体产业各种微纳米工艺和技术，在未来的信息处理器中具有广阔的应用前景。我们团队提出了最早的非强耦合条件下的超导传输谐振腔与量子点量子计算理论方案（Phys. Rev. Lett. 101, 230501 (2008).），大大降低了实验的要求和难度。我们研究团队在半导体量子点的制备和操控方面积累了大量的实验经验和技术，对超导谐振腔体的制备和表征也掌握关键的工艺技术。经过几年研究积累，完成了超导谐振腔与石墨烯双量子点以及超导谐振腔与两个石墨烯双量子点实现远程耦合的实验研究，以此为基础着力于解决半导体量子点多比特之间的耦合问题，具有很大的理论和实验挑战性。我们的这些前期工作已属于世界研究前列，结合已开展的半导体量子点处理单元和测量单元研究，集中推进基于固态量子比特的多量子比特扩展研究。基于新型二维材料（Graphene，TMDS）体系的量子器件制备和量子物理研究“量子芯片”是未来量子计算机的“大脑”。 2016年2月，国际权威杂志《物理评论快报》发表了中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室郭国平研究组在量子芯片开发领域的一项重要进展。该成果由郭国平研究组及合作者完成，首次在砷化镓半导体量子芯片中成功实现了量子相干特性好、操控速度快、可控性强的电控新型编码量子比特。研究组利用半导体量子点的多电子态轨道的非对称特性，首次在砷化镓半导体系统中实现了轨道杂化的新型量子比特，巧妙地将电荷量子比特超快特性与自旋量子比特的长相干特性融为一体，实现了“鱼”和“熊掌”的兼得。实验结果表明，该新型量子比特在超快操控速度方面与电荷量子比特类似，而其量子相干性方面，却比一般电荷编码量子比特提高近十倍。同时，该新型多电子轨道杂化实现量子比特编码和调控的方式具有很强的通用性，对探索半导体中极性声子和压电效应对量子相干特性的影响提供了新思路。 [4]2018年2月，中国科学技术大学郭光灿院士团队在半导体量子芯片研制方面再获新进展，创新性地制备了半导体六量子点芯片，在国际上首次实现了半导体体系中的三量子比特逻辑门操控，为未来研制集成化半导体量子芯片迈出坚实一步。国际应用物理学权威期刊《物理评论应用》日前发表了该成果。 [5]2022年11月，我国第一条量子芯片生产线正在紧锣密鼓生产“悟空芯”——为量子计算机“悟空”配套的量子芯片。 [8]人工智能播报编辑据国外媒体报道，当前计算机数据是由1和0表示的，然而，量子计算机能够使用亚原子粒子编码数据。专家认为，量子比特同时具有两种状态，能够显著提高计算速度和能力。谷歌公司与科学家联手研制量子级计算机处理器，有望未来使机器人像人类一样“独立思考问题”。美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理学家约翰-马蒂尼斯（John Martinis）是超导量子计算领域的资深研究员之一，他与谷歌公司建立合作关系，在量子人工智能实验室进行研究工作。谷歌公司工程部主管哈尔穆特-内文（Hartmut Neven）说：“该量子人工智能实验室能够实施和测试量子最优化和推理处理器的最新设计。” [6]谷歌公司致力于自动驾驶汽车和机器人研究，开始日益聚焦人工智能技术。谷歌公司收购DeepMind Technologies人工智能公司，DeepMind Technologies创始人之一、神经系统科学家杰米斯-哈萨比斯（Demis Hassabis）两年前曾尝试研制像人类一样思考的计算机。然而，DeepMind Technologies另一位创始人谢恩-雷格（Shane Leg）警告称，人工智能是本世纪最危险的技术之一，认为它将导致人类灭绝。 [6]可防盗刷播报编辑“量子卫星之父”潘建伟：15年后用量子芯片防盗刷46岁的“学霸”科学家潘建伟近期再度受关注，是因为我国发射的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。预计在11月中旬，这颗卫星将完成全部在轨测试工作，开始国际前沿量子科学实验。潘建伟正是这颗量子卫星的首席科学家。 [7]在11月5日举行的“2016年中国科技传播论坛”上，潘建伟表示，将用15年左右时间，构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网，即量子互联网。他说，“量子称霸”为时不远。“有国外同行把量子卫星比喻为前苏联的‘伴侣号’卫星，那是人类第一颗人造卫星，所以‘墨子号’的开创性不言而喻。”潘建伟自豪地说。量子通信与普通老百姓的生活有关吗？他介绍说，中国力争到2030年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络，并在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”。开始可能国防安全用得比较多，如果这个秘钥好用的话，马上紧接而来的可能是金融领域，因为他们有一些保密性特别强的数据，需要这个技术。当然再过几年成本低下来之后，每个老百姓的手机、银行账号里也可以用这种方法来进行保密。他甚至给出了一个量子通信技术普及的时间表：5年左右很多机要部门开始用，10年左右金融业、银行等大机构开始使用，15年的时间或许走进千家万户。届时，每个人的家里只要装上一个量子加密芯片，那么，银行转款、电子账户等涉密操作，都不用担心被盗用或者攻击。 [7]也许就在不远的将来，量子通信技术将如同手机、电脑一般，走入寻常百姓家。 [7]新手上路成长任务编辑入门编辑规则本人编辑我有疑问内容质疑在线客服官方贴吧意见反馈投诉建议举报不良信息未通过词条申诉投诉侵权信息封禁查询与解封©2024 Baidu 使用百度前必读 | 百科协议 | 隐私政策 | 百度百科合作平台 | 京ICP证030173号 京公网安备110000020000

全干货！一文读懂芯片制造及量子芯片！ - 知乎

全干货！一文读懂芯片制造及量子芯片！ - 知乎切换模式写文章登录/注册全干货！一文读懂芯片制造及量子芯片！本源量子​已认证账号最近两个月，因为一系列事情，大家对国内芯片产业的关注度日益增加。那么，什么是芯片？如何制造芯片？涉及到多少高科技？目前的芯片产业将会有哪些挑战？在这里，我们转发一下央视新闻的一个科普：别看芯片的体积小，但制造难度非常大，其制作过程不亚于在指甲盖上建造一座城市。我们一般看到的芯片是这样的：但是在显微镜下，如同街道星罗棋布，无数的细节令人惊叹不已。原来，指甲盖大小的芯片，上面却有数公里的导线和几千万甚至上亿根晶体管。为了让这些纳米级的元件“安家落户”，芯片在投入使用前，要经历上百道工序的纳米级改造……众所周知，摩尔定律的技术基础是不断提高电子芯片的集成度（单位芯片的晶体管数）。集成度不断提高，速度就不断加快。现在的高性能计算机、智能手机中的芯片，不断地引入更先进的芯片工艺，制程精度从几十纳米逐步降到到7纳米，未来甚至更低，逼近原子尺寸。传统芯片能够容纳的集成电路最终将趋向经典物理上的临界点，计算能力提升举步维艰。如果摩尔定律终结，在后摩尔时代，提高运算速度的途径是什么？不少科学家将希望寄托于量子计算。想要研制量子计算机，量子芯片是关键一步。量子芯片集成有大量的量子逻辑单元，可以执行量子信息处理过程，在诸如量子化学模拟、量子人工智能等诸多领域具有巨大的潜力，有望突破传统计算机的算力极限。目前，超导系统、半导体系统、离子阱系统等，都有相应的量子芯片研究，并正在往大规模集成的方向摸索。目前，基于超导约瑟夫森结体系的技术路线在当前阶段走在了前面，但近年来基于半导体的门控量子点技术发展迅速，未来的量子计算机究竟采取哪种技术路线尚未定论。本源量子首席科学家、中国科学技术大学郭国平教授自2010年主持连续承担了我国“固态量子芯片”和“半导体量子芯片”国家重点研发计划（973）项目。本源量子与中国科学技术大学合作研发的第一代半导体二比特量子芯片—玄微，采用半导体量子点系统可以很好地结合和利用现代半导体微电子制造工艺，通过纯电控的方式制备、操控与读取量子比特更具稳定性。可以实现超快精确控制和长相干快操控编码。本源量子自主研发的第一代超导六比特量子芯片—夸父，具备高达99.7%的单量子逻辑门保真度，与当前国际同类水平（99.94%）仅有一步之遥。为了提高对量子芯片信息的读取效率，本源量子自主研发了多种量子参量放大器。其中量子阻抗匹配参量放大器OriginQ-IMPA-6650能达到15-30 dB的增益，在高带宽模式下能达到20 dB的增益以及高于400 MHz的增益带宽，噪声低至标准量子极限，是国内最好的同类型量子参量放大器。同时，本源量子正在研制具备更高增益带宽、性能更稳定的量子行波参量放大器，它预计将能用于至少20个量子比特的并行读取。为了提高量子芯片的性能，封装技术必不可缺。本源量子基于量子计算芯片以及量子参量放大器分别研制了多种立体封装技术，能够大幅降低信号串扰，抑制环境噪声。比如IMPA芯片立体封装可用于完成IMPA芯片的封装，并提供室温以及低温的测试接口。最新研发的第三代全封闭量子芯片封装可用于完成1-6位量子CPU的封装，并提供室温以及极低温的测试接口。量子芯片的研制比传统芯片的研制更加艰辛。我们不仅要攻关量子芯片工艺制程，更要持续不断地改进量子芯片的原理设计。本源量子将持之以恒地坚持以量子芯片为核心的量子计算技术的研发，致力于早日研制出实用量子计算机。我们相信，“芯”动不如行动，中国芯的突围之道，就在不远处。部分内容来源：央视新闻、中国经济大讲堂、半导体行业观察编辑于 2021-06-24 14:03量子芯片芯片（集成电路）​赞同 41​​添加评论​分享​喜欢​收藏​申请

量子芯片 | 关于现在、关于未来 - 知乎

量子芯片 | 关于现在、关于未来 - 知乎切换模式写文章登录/注册量子芯片 | 关于现在、关于未来凯文音乐人小时候看《天龙八部》，无崖子把毕生功力传给虚竹后寿终正寝。当时一边羡慕虚竹这个lucky boy, 一边也在想就在想：内力是啥？为什么无崖子不能复制一份给虚竹，自己也可以继续成为高手。后来学了量子计算，突然意识到，这不就是量子通信吗？量子隐形传送：是一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的“超时空传输”，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。量子通信拥有“绝不泄密”的本领，保护用户通信安全。由于量子具有不可再分、不可复制的特性，如果在传输中受到干扰就会改变状态，接收方就可以发现。也就是说，除了在保护通信安全的前提下，量子通信还有“反窃听”的功能。如果有人窃听，信息就被偷听动作改变了，从而可以保证内容的绝密。或许，无崖子就是这样破坏性的把内力传输给了虚竹吧~~ 不可复制、不可窃听。说到这里，不禁发散想到最近的“华为”议题。上周，美国主流媒体《纽约时报》有这样一段文字：这篇《纽约时报》的报道揭示的一个基本事实：很多美国情报官员坦承，他们其实并不是那么担心中国方面会借助华为设备窃取美国数据。道理其实也很简单：美国情报部门对关键数据安全是有这个自信的。通过电信网络来传输的那些敏感信息，比如军事通讯还有金融数据，这些敏感数据当中的绝大部分，其实都经过了有效加密。即便截获了这些数据，你想要破解它，那还是很难滴。而这句话背后的深意就是：未来的量子密码术是多么多么的重要啊！举个简单的例子，分解300位和5000位的数字，量子算法会把所需时间从15万年减到不足1秒钟，从50亿年减到2分钟！对RSA密码系统来说，这意味着在量子密码术面前裸奔啊。说到华为，我们自然想到“芯片”，这个词最近高频的冲击着我们神经的词汇。这篇文章，我们就来一起来学习：什么是“量子芯片”？如果说现在台面上争夺的芯片是大国的现在，那么下一代量子芯片则是未来博弈的焦点。我们应该明白，每一个真实的现在都必然是我们幻想的未来01什么是芯片了解量子芯片前，我们先通过央视新闻的科普，了解什么是“芯片“：图片来源：央视新闻简单来说，芯片就是集成电路，在电子学中是一种把电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上，是我们现代电子设备的心脏。【释义来自百度百科】既然是小型化，那制造难度就必然非常大，其制作过程不亚于在指甲盖上建造一座城市。我们一般看到的芯片是这样的：图源网络但是在显微镜下，如同街道星罗棋布，无数的细节令人惊叹不已。图源网络原来，指甲盖大小的芯片，上面却有数公里的导线和几千万甚至上亿根晶体管。为了让这些纳米级的元件“安家落户”，芯片在投入使用前，要经历上百道工序的纳米级改造… ... 正的芯片制造过程十分复杂，下面我们为大家简单介绍一下。晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。单单从晶圆到芯片，其价值就能翻12倍，2000块钱一片的晶圆原料经过加工后，出来的成品价值约2.5万元，可以买一台高性能的计算机了。从熔融态Si中拉出晶圆并切片获得晶圆后，将感光材料均匀涂抹在晶圆上，利用光刻机将复杂的电路结构转印到感光材料上，被曝光的部分会溶解并被水冲掉，从而在晶圆表面暴露出复杂的电路结构，再使用刻蚀机将暴露出来的硅片的部分刻蚀掉。晶圆片抛光后利用光刻机将设计好的电路转印到晶圆上在晶圆上刻蚀出来复杂的结构接着，经过离子注入等数百道复杂的工艺，这些复杂的结构便拥有了特定的半导体特性，并能在几平方厘米的范围内制造出数亿个有特定功能的晶体管。镀铜后再切削掉表面多余的铜再覆盖上铜作为导线，就能将数以亿计的晶体管连接起来。经过测试、晶片切割和封装，就得到了我们见到的芯片一块晶圆经过数个月的加工，在指甲盖大小的空间中集成了数公里长的导线和数以亿计的晶体管器件，经过测试，品质合格的晶片会被切割下来，剩下的部分会报废掉。千挑万选后，一块真正的芯片就这么诞生了。总之就是非常精细而复杂的制作工艺，借用央视新闻的科普介绍图：图片来源：央视新闻02量子芯片前面看到，芯片就是在指甲盖上建城市，那么问题来了，随着技术不断发展，芯片越做越精细，有没有极限呢？有！当传统的电子芯片集成精度小到原子尺寸，所依托的自然准则就从宏观世界去到了微观世界，必然就会逼近经典宏观物理的临界点：牛顿的经典力学到爱因斯坦的微观物理世界。而这个世界的信息技术，就是量子信息的世界了。这里提到量子信息，那么大家可能会问：何谓量子信息？ 简单说：就是基于量子力学的信息科学。 量子力学和经典力学最大的区别在于： 一个是宏观连续态的概念，一个是微观离散的状态；那么在这个基础上，信息存储的概念就有本质区别：“比特”是计算机科学的基本概念，指的是一个体系有且仅有两个可能的状态，一般用“0”和“1”来表示。典型的例子，如硬币的正、反两个面或者开关的开、关两个状态。但在量子力学中，情况出现了本质的不同。量子力学有一条基本原理叫做“叠加原理”：如果两个状态是一个体系允许出现的状态，那么它们的任意线性叠加也是这个体系允许出现的状态。从两个选择到无穷多个选择，这是个巨大的扩展。显然，一个量子比特包含比一个经典比特大得多的信息量。前面提到，当传统芯片发展到临界点，意味着什么呢？突破或停滞如果没有革命性突破，传统芯片的发展将会停滞，过去几十年，传统芯片的发展就是严格遵守“摩尔定律”的。摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪，但2010年国际半导体技术发展路线图的更 新增长已经放缓在2013年年底，之后的时间里晶体管数量密度预计只会每三年翻一番，预计定律将持续到至少2015年或2020年。随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一定律终将走到尽头。集成度不断提高，速度就不断加快。现在的高性能计算机、智能手机中的芯片，不断地引入更先进的芯片工艺，制程精度从几十纳米逐步降到到7纳米，未来甚至更低，逼近原子尺寸。传统芯片能够容纳的集成电路最终将趋向经典物理上的临界点，计算能力提升举步维艰。如果摩尔定律终结，在后摩尔时代，提高运算速度的途径是什么？不少科学家将希望寄托于量子计算。量子计算是一种遵循量子力学规律（爱因斯坦的微观物理世界）调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加，意味着量子计算机如果有500个量子比特，则量子计算的每一步会对2^500种可能性同时做出了操作。2^500是一个可怕的数，它比地球上已知的原子数还要多，这是真正的并行处理，当今的经典计算机，所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情，可以展现比传统计算机更快的处理速度。天下武功 唯快不破，量子计算就是后摩尔时代的计算方式，而后摩尔时代并不遥远，就是触手可及的现在。想要研制量子计算机，量子芯片是关键一步。量子芯片集成有大量的量子逻辑单元，可以执行量子信息处理过程，有望突破传统计算机的算力极限。而量子芯片的技术实现，目前也有多个方向：超导系统、半导体系统、离子阱系统等，并正在往大规模集成的方向摸索。目前，国际上主要聚焦以下两种技术：基于超导约瑟夫森结体系的技术路线、基于半导体的门控量子点技术，未来的量子计算机究竟采取哪种技术路线尚未定论。本源量子自主研发的第一代半导体二比特量子芯片—玄微 XW B2-100本源量子自主研发第一代超导六比特量子芯片—夸父 KF C6-130，备高达99.7%的单量子逻辑门保真度，与当前国际同类水平（99.94%）仅有一步之遥。量子芯片的研制比传统芯片的研制更加艰辛。不仅要攻关量子芯片工艺制程，更要持续不断地改进量子芯片的原理设计。但是未来之路，从不容易，全球都在战略布局，争夺未来量子计算的制高点，这一领域，中国不能输。未来的中国量子芯，也是眼前的量子军备战。发布于 2020-03-10 13:19量子量子信息量子计算机​赞同 12​​1 条评论​分享​喜欢​收藏​申请

什么是量子计算？ | IBM

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什么是量子计算？

观看 IBM Quantum 量子计算系统 (04:31)

通往量子安全保障之路

什么是量子计算？

量子计算是一种快速崛起的技术，它利用量子力学定律来解决对经典计算机来说过于复杂的问题。 

如今，IBM Quantum 量子计算机制造出了真正的量子硬件（这是一种科学家们在 30 年前才开始想象的工具），供成千上万的开发人员使用。 我们的工程师定期提供功能越来越强大的超导量子处理器，同时在软件和量子经典编排方面取得重大进展。 这项工作推动了改变世界所需的量子计算速度和能力。 

这些量子计算机与已经存在了半个多世纪的经典计算机大不相同。 这是关于这种颠覆性技术的入门读物。

探索 IBM Quantum 系统

为什么我们需要量子计算机？

对于某些问题，超级计算机的表现并不那么出色。

当科学家和工程师们遇到难题时，他们把目光投向超级计算机。 这些是非常

庞大的经典计算机，通常具有数千个经典 CPU 和 GPU 核心。 然而，即使

是超级计算机，某些问题解决起来也十分困难。

如果超级计算机也无能为力，那可能是因为这台大型传统机器被要求解决

一个高度复杂的问题。 让传统计算机无能为力的原因通常是复杂性

复杂问题是许多变量以复杂方式相互作用的问题。 对

分子中单个原子的行为进行建模是一个复杂的问题，因为所有不同的电子都相互

作用。 在全球航运网络中为数百艘油轮挑选理想航线也是一项很复杂的任务

。

 

量子计算机用在什么地方？

观看梅赛德斯-奔驰的案例 (3:41)

观看埃克森美孚的案例 (3:38)

观看 CERN 的案例 (3:36)

为什么量子计算机速度更快

我们来看一个经典计算机无能为力的情况下量子计算机却能成功应对的例子：

超级计算机可能很擅长处理诸如对大型蛋白质序列数据库进行分类这样的艰巨任务，但是很难发现数据中决定这些蛋白质行为的微妙模式。

蛋白质由一长串的氨基酸构成，当它们折叠成复杂的形状时，就会成为有用的生物机器。 弄清楚蛋白质的折叠方式是一个对生物学和医学都具有重要意义的问题。 

一台经典的超级计算机可能会尝试用蛮力折叠蛋白质，利用众多处理器检查各种可能的化学链弯曲方式，然后再得出答案。 但随着蛋白质序列变得越来越长、越来越复杂，超级计算机就会停止运行。 一条由 100 个氨基酸组成的链，理论上可以用数万亿种方式中的任何一种方式折叠。 没有哪台计算机所具有的工作内存足以处理单个折叠的所有可能组合。

量子计算算法采用了一种新方法来解决这些复杂的问题，即创建多维空间，在这些空间中，出现链接单个数据点的模式。 对于蛋白质折叠问题，这种模式可能是所需能量最少的折叠组合。 这种折叠组合就是问题的解决方案。

经典计算机无法创建这些计算空间，因此它们无法找到这些模式。 而对于蛋白质问题，已存在早期的量子算法，它们能够以更高效的全新方式找到折叠模式，而无需像经典计算机那样费力地执行检查程序。 随着量子硬件规模的扩大和这些算法的进步，它们可以解决对任何超级计算机来说都过于复杂的蛋白质折叠问题。

量子计算机如何工作？

量子计算机是优雅的机器，与超级计算机相比，体积更小，所需的能源也更少。 IBM Quantum 量子计算处理器是一块晶片，比笔记本电脑中的晶片大不了多少。 量子硬件系统大约有汽车那么大，主要由冷却系统组成，旨在使超导处理器保持超低运行温度。

经典处理器使用比特来执行操作。 而量子计算机则使用量子比特（CUE 比特）来运行多维量子算法。

超流体

您的台式计算机可能会使用风扇来冷却到适宜的工作温度。 而我们的量子处理器则需要非常低的温度 - 大约比绝对零度高百分之一度。 为了实现这一目标，我们使用超冷超流体来制造超导体。

超导体

在这些超低温度下，我们处理器中的某些材料表现出另一种重要的量子力学效应：电子可以毫无阻力地穿过这些材料。 这使它们成为“超导体”。 

当电子通过超导体时，它们会配对，形成"库珀对"。这些对可以通过名为"量子隧穿"的过程，携带电荷穿过势垒或绝缘体。 放置在绝缘体两侧的两个超导体形成约瑟夫森结

控制

我们的量子计算机使用约瑟夫森结作为超导量子比特。 通过向这些量子比特发射微波光子，我们可以控制它们的行为，并让它们保存、更改和读出单个量子信息单元。

叠加

量子比特本身并不是很有用。 但它可以执行一个重要的技巧：将它保存的量子信息置于叠加状态，这代表了量子比特所有可能配置的组合。 叠加的量子比特组可以创建复杂的多维计算空间。 在这些空间中，可以用新的方式来表示复杂的问题。

纠缠

纠缠是一种量子力学效应，可将两个独立事物的行为关联起来。 当两个量子比特纠缠在一起时，其中一个量子比特的变化就会直接影响到另一个。 量子算法利用这些关系来寻找复杂问题的解决方案

让量子计算机有用

IBM Quantum 在构建量子硬件方面处于世界领先地位。 我们的路线图是一个清晰而详细的计划，用于扩展量子处理器，克服扩展问题，并构建实现量子优势所需的硬件。

但量子优势仅靠硬件是无法实现的。 IBM 还花了数年时间推进使用量子计算机完成有用工作所必需的软件。 我们开发了 Qiskit 量子 SDK。 它是开源的且基于 python，并且是迄今为止世界上使用最广泛的量子 SDK。 我们还开发了 Qiskit Runtime，这是世界上最强大的量子编程模型。 （在下一节中了解有关 Qiskit 和 Qiskit Runtime 以及如何入门的更多信息。）

实现量子优势需要找到一些新方法来减少错误、提高速度并协调量子和经典资源。 目前正在 Qiskit Runtime 中给这项工作打基础。

量子计算资源

量子案例研究

了解如今的企业如何与 IBM 合作解决最具挑战性的实际问题。

以量子为中心的超级计算：下一波计算浪潮

了解 IBM Quantum 的使命是将有用的量子计算带给全世界。

量子计算研究

量子计算为不同研究学科打开了令人眼花缭乱的新可能性。 从世界各地的专家那里了解这些内容。

量子计算入门

IBM 的量子计算机使用 Qiskit（链接位于 ibm.com 外部）进行编程。Qiskit 是我们基于 python 的开源量子 SDK。 Qiskit 拥有专用于金融、化学、最优化和机器学习的模块。

请查看文档（链接位于 ibm.com 外部），以快速入门并深入了解我们的开发者工具套件。

构建要在模拟器或实际硬件上运行的研发级别代码。

加入我们不断增长的社区（超过 400000 名用户）

准备好应对更大的工作负载了吗？ 使用 Qiskit Runtime（我们的量子编程模型）可以大规模执行，从而高效地构建和扩展工作负载。 通过 Qiskit Runtime，用户可以轻松访问世界上性能最高的量子系统上的 HPC 混合计算，以部署定制量子经典应用程序。 Qiskit Runtime 提供了一个执行环境，用于将量子电路与经典处理能力整合在一起，从而从根本上加速某些量子程序的执行。 这意味着，在世界领先的量子系统上可以实现更快的迭代、更少的延迟和更不受限制的计算时间：Qiskit Runtime 基于云的执行模型在模拟分子行为方面展示了 120 倍的加速

「量子芯片」的原理是什么，未来有何应用领域？ - 知乎

「量子芯片」的原理是什么，未来有何应用领域？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答​切换模式登录/注册知乎话题​的提问知识库科技量子物理芯片（集成电路）量子计算与量子信息「量子芯片」的原理是什么，未来有何应用领域？本问题将作为「知识库」栏目的一部分，你的创作将有机会被收录在相关话题的百科简介中，同时你也可以将其他符合百科规范的词条内容整理成回答或者文章来投稿。 …显示全部 ​关注者14被浏览15,249关注问题​写回答​邀请回答​好问题 3​添加评论​分享​5 个回答默认排序洗芝溪​万物成有数，君子言必苦。榻上三生梦，口中十年书。​ 关注@知识库 这个问题问得有点不知所云，“原理”可以分为很多个层面，是想问物理层面、逻辑层面、还是算法层面？就我而言，我可能会最感兴趣的是从硬件到软件的关键那一步是如何实现的。就好比经典计算机芯片里面，如何从半导体，硅这个东西，变成逻辑门，比如与门、或门、非门等。至于硅的sp3杂化啦、金刚石结构啦，或者基础逻辑门是怎么组合成四则运算啦，这些虽然也很有趣，虽然我也都懂，但感觉兴趣还是差一些。我印象最深刻就是当年学模电和数电，模电就全是物理的各种电路，信号怎么放大、怎么处理，到了数电，突然就变成了全是逻辑门之间的各种排列组合。当时一直就不理解，那些电路是怎么就变成那些门了，中间发生的事情就那么不重要、那么显然，所以都不讲吗？后来我自己讲半导体物理，大约想明白了。这个问题每个学科都只懂其中一部分，要从饱和区、耗尽区这些半导体的概念，过渡到等效的RC电路，再过渡到逻辑电路，比如开关电路，确实要费点力气。你要说开关电路本身也不复杂。一个p型串一个n型，工作的时候p端取高电平，n端取低电平。于是输入端，也就是门电压，取低电平的时候p端导通，输出变高电平。而输入端取高电平时，n端导通，输出变低电平。懂的人固然一两句就能讲清，但这个导通和关断真要在半导体里面去分析，为什么要取两种掺杂，什么情况是多子，什么情况是少子，什么情况饱和，什么情况耗尽，电平高低电流怎么流，如何设计能最大可能降低功耗，等等，对初学者的确太不友好了。即便如此，经典计算毕竟还只是基于经典力学，底层的电荷输运原理很多人还是清楚的，就已经如此复杂了。量子计算基于底层原理绝大多数人根本不懂，要如何来解释其在器件层面的原理啊？更何况量子计算七大系统，每个系统的物理原理都不相同，都是大工程项目，要搞清楚其中一个就很不容易了。虽然我每样都懂一点点，但怕我讲混了。就讲一下超导芯片和离子阱吧？这两个跟传统电学关联度更大一些。冷原子和光学微腔都要涉及大量的光学，什么旋转波近似一上，肯定就全歇了。超导芯片目前看来是对工程师最友好的，因为它用的几乎全部是传统电路的经验，唯一区别就是引入了约瑟芬结这么个超级电感。传统的集成电路中很少使用电感，因为传统那种用线圈缠的电感是没法集成的，所以主要用的都是RC电路，LC电路只在早期的无线电里面用。现在超导用铝来做，本身的微加工方式跟硅大同小异。用铝的好处是，铝容易氧化，一氧化就天然形成一个异质结，也就是约瑟芬结。本来超导温度最高的单质是铌，但铌没有铝这么好加工。铝的坏处就是超导温度低，所以低温设备更贵，也更烧钱。以及对噪声的要求也更高，因为超导能隙小。超导材料中的电子个数（注意，不是库珀对的个数，这是科普当中时常犯的错）与其相位互为共轭。这里的相位是个什么概念，要深刻讲清楚挺复杂的，它对应于一个叫Klein因子的东西，是一个特殊的产生湮灭算符，用来产生超导电流的。更完整的解释需要熟悉BCS理论，里面概念很多，对工程师没必要了解那么多。只需要知道约瑟芬结中的电子数之差就相当于电压，相位相当于电流，一个基本的电路就可以形成了。约瑟芬结最优越的地方在于，它是一个非谐（非线性）器件，可以量子化成一个二能级系统。简单来说，当一个约瑟芬结并联一个电容，就可以形成粒子数的量子化。如果两个结并在一起，就形成磁通的量子化，也就是transmon。transmon就是悬铃木用的超导qubit。很难解释这个量子化的比特，和经典的比特有什么本质区别。仅从器件层面理解，经典数字电路中，比特是用高低电平，也就是电压信号来表征的。量子电路中则用的是电流信号。电压，来源于化学势，根据定义，它的作用是产生因粒子数形成空间梯度而产生的经典扩散，不具备量子效应。电流，原则上可以有经典的漂移扩散流，也可以有量子的隧穿或超导电流。超导芯片主要用了后者。操控这些电流的主要手段是微波，特别是其中的磁场分量，相当于把一个transmon当自旋在操控。通过并接一根微波传输线，不同的的超导比特都能在同一个线路中被操控，所以超导芯片是最接近传统微加工电路的。==================================感觉啥都没写，怎么就写了这么多，离子阱的部分下次再来填坑吧。发布于 2022-11-09 15:35​赞同 17​​4 条评论​分享​收藏​喜欢收起​云中仙微电子世家，此代碌碌无为小工人​ 关注马克，等能够解释这东西的大佬出现……反正我是没搞明白这东西咋回事……我知道量子，也知道芯片，但实在搞不懂量子芯片是啥发布于 2021-04-15 23:42​赞同 1​​1 条评论​分享​收藏​喜欢

【芯视野】量子计算芯片与传统芯片有何不同? - 知乎

【芯视野】量子计算芯片与传统芯片有何不同? - 知乎首发于爱集微APP切换模式写文章登录/注册【芯视野】量子计算芯片与传统芯片有何不同?集微网集微网报道 量子计算同量子通信、量子测量共同被认为是量子科技的重要方向。相比于如今火热的量子通信，神秘的量子测量，量子计算凭借计算能力上所具有的想象空间，近年来，成为全球主要国家争相布局的前沿科技领域。量子芯片作为量子计算机最核心的部分，是执行量子计算和量子信息处理的硬件装置。但由于量子计算遵循量子力学的规律和属性，传统的经典集成电路芯片而言，量子芯片在材料、工艺、设计、制造、封测等方面的要求和实现路径上都存在一定差异。两种主流实现方式经典集成电路芯片通过一个个晶体管构建经典比特，二进制信息单元即经典比特，基于半导体制造工艺，采用硅、砷化镓、锗等半导体作为材料。而量子芯片采用2个量子状态来叠加及纠缠，用以执行以量子比特为基础的运算，因此只要物质的物理性质具有两个易于操作的量子态，都有可能成为量子比特的制作基础，类似经典集成电路芯片中高低电平代表的“1”与“0”。根据构建量子比特所采用的不同物理体系，量子比特在物理实现方式上包括超导量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。开发与现代半导体工艺兼容的电控量子芯片是量子计算机研制的重要方向之一，半导体量子点和超导量子电路技术被视为最有可能实现大规模集成量子信息处理器的物理方案。经典集成电路芯片包括数字和模拟芯片，量子芯片可以视为一种模拟芯片，主要采用的制程在100nm左右，但与经典集成电路芯片最大的不同在于制造的工艺与材料不同。其中，超导量子芯片利用约瑟夫森结构成的超导电路来实现二能级系统，主流材料是铝，通过在铝膜上刻蚀电路形状，用微波信号实现对其控制。半导体量子芯片是在传统的半导体微电子制造工艺基础上，寻找到能够实现控制的电子，通过控制电子的多个自由度实现二能级系统。半导体量子芯片可以很好地结合和利用现代成熟的半导体微电子制造工艺，通过纯电控的方式制备、操控与读取量子比特更具灵活性。与现代大规模集成电路类似，半导体量子芯片具有良好的可扩展、可集成特性，被认为是未来实现大规模实用化量子计算的最佳候选体系之一。超导量子芯片具有如下优势： 一是操作数大，超导量子比特相干时间长，操作速度快，保真度高，总体能够实现上千次操作。 二是工艺成熟，相对其他固态量子芯片体系，超导量子比特受材料缺陷的影响更小，利用成熟的纳米加工技术，可以实现大批量生产。 三是可扩展性好，超导量子比特结构简单，调控方便，极易扩展。目前，全球领先的量子计算技术主要掌握在美国、澳大利亚、日本和中国等高校和企业手中。谷歌和IBM都推出了超导量子芯片，英特尔、澳大利亚新南威尔士大学和荷兰代尔夫特大学推出了半导体量子芯片。夸父 KF C6-130我国量子计算领军企业本源量子目前开发出第一代半导体2比特量子处理器玄微 XW B2-100、第一代超导6比特夸父量子处理器KF C6-130。硅材料纯度要求更高 传统集成电路芯片主要指经典计算机的硅基半导体芯片，它基于半导体制造工艺，采用硅、砷化镓、锗等半导体材料。实现对于量子芯片中的量子比特的精确控制，对环境要求苛刻，不仅要超低温，还要“超洁净”，极其微弱的噪声、振动、电磁波和微小杂质颗粒都会扰乱信号，这对于量子芯片的材料和设计提出了更高的要求。据本源量子副总裁赵勇杰介绍，在硅材料纯度上，相较于经典芯片而言，量子芯片的要求更高。比如常规硅片中含有大量的硅28和少量的硅29同位素，由于硅29的核自旋可以影响硅基半导体量子芯片中电子的自旋，因此在半导体量子芯片应用中需要在硅材料提纯硅28，去除其中的硅29。电磁场对于半导体以及超导量子比特的干扰也较大，虽然传统芯片设计中也要考虑电磁场的相互影响，但在量子芯片的设计中会考虑得更加精细。此外，即使是工作温度比较高的硅基半导体量子芯片，目前工作的温度最高也要到1.5k，也就是零下272.5度，这样的工作环境下，传统集成电路的很多因素就会受到影响，比如开关电压不同等。因此，量子芯片迫切需要发展超导电子学技术和低温电子学技术。因为当芯片集成比特数达到数千个以后，按照现有的模式，用室温电子学控制设备控制每一个比特几乎不可能实现，需要将比特的控制部分和量子芯片集成，能够达到这个目标的唯一技术是超导电子学。目前超导电子学技术还处在非常基础的阶段，实际应用非常少，如何与量子芯片集成更是有待研究的全新课题。与此同时，为了实现低温环境，还需要配置大功率极低温制冷机。超导量子芯片只能在10mK左右的极低温（约零下273.14度）下才能工作，而且还要求提供足够的制冷功率，目前能做到的只有稀释制冷机。当前的稀释制冷机技术仅能做到满足数百个比特的需求，支持更大规模的量子芯片的技术仍是一个待研究的课题，目前国内的稀释制冷机主要都是通过进口获得。独特的设计、制造和封装同传统集成电路芯片设计类似，量子芯片的设计也需要依靠设计和仿真软件。但由于同半导体芯片电路特性不同，量子芯片电路原理和结构设计遵循完全不同的逻辑，不可能直接使用现有的半导体芯片设计或仿真软件，需要重新开发。“目前市场上并没有成熟的量子芯片EDA软件，我们自主研发的量子芯片EDA工具，是在传统设计和仿真的基础上进行了功能的升级，并且包含自研的量子芯片核心仿真程序。通过现有经验和数据工具，进行结构和参数指标方面的设计。此外，比如针对超导量子芯片，也包含了微波电路的一些技术，很多结构可以用微波仿真软件来模拟特性，为量子芯片的设计提供指导依据。”赵勇杰说。在制造方面，量子芯片的生产制造过程本身具有的复杂的系统工程属性以及需要非常专业化知识体系，决定了无法如通过设计好的EDA制作参数以及自动化工具，借助现有的代工资源去完成生产制作，其生产制造的每个环节，都需要专业化程度较高的特定工程师逐步调试工艺参数。在封装环节，也需要在传统封装技术的基础上，通过技术工具实现对于量子芯片的封装。一方面要求能够在封装后，大幅度抑制信号泄露并进行噪声隔离，同时要具有高效的集成性，高效的散热性能，提供磁场屏蔽保护与红外辐射屏蔽保护等特性。另一方面，比如对于超导量子芯片而言，在封装中，最重要的环节是要将其中的控制通道，通过微波线缆引出，保证低温状态下能够有效将量子芯片冷却到较低的温度。由于专业性较高，技术复杂，目前推出量子芯片的企业基本上都是采用IDM的方式，芯片制备需要专门的工艺和设备产线。相关产品在研发周期，设备和资金投入方面也较传统模拟芯片投入较大。仅实验室用的测试设备就在数千万元的价格，而制造用的纳米加工设备产线，则需要数亿元的投入。艰难的追赶阶段如上文所述，量子计算的研制属于巨型系统工程，涉及众多产业基础和工程实现环节。我国在高品质材料、工艺结构、制冷设备和测控系统等领域仍落后于领先国家，在一些关键环节甚至面临着受制于人的风险。同时，量子计算的实际应用场景仍需要更广泛持续地探索。我国的量子计算研究起步晚于欧美先进国家，且主要以科研为导向，研究主体集中在各个高校与科研院所。虽然在一些细分领域取得了科研上的突破，但在量子计算整体的工程化实现与制造工艺层面与国际先进水平具有明显差距。业内专家指出，量子计算需要克服环境噪声、比特错误和实现可容错的普适量子纠错等一系列难题，真正量子计算机研发挑战巨大。赵勇杰表示，在量子计算芯片方面，中国同国际领先水平还有三四年的差距。“欧美厂商进展非常快，如何能够保持持续追赶的势头是关键，中国的量子计算芯片的产业化发展还处于艰难的追赶阶段，如果跟不上，差距将会越拉越大。”赵勇杰说。另有行业人士表示，量子计算除了工程化方面的诸多挑战之外，量子计算系统在高性能FPGA、高速ADC以及量子计算控制系统等、低温设备制冷剂等核心器件和材料等方面，仍然依靠进口，也存在不少“卡脖子”环节。“并不能因为实验室发表了几篇世界领先的研究成果就盲目乐观，我国的量子计算还有很长的路要走。”该人士坦言。（校对/Humphrey）发布于 2020-11-02 14:58芯片（集成电路）​赞同 10​​添加评论​分享​喜欢​收藏​申请转载​文章被以下专栏收录爱集微APP半导体、手机行业专业信息服

“天目1号”超导量子芯片应用成果重磅发布！

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“天目1号”超导量子芯片应用成果重磅发布！

来源：浙江大学杭州国际科创中心

发布时间：2022-07-23

在人类探索未知的道路上，量子计算正在成为独特而强大的工具。2021年12月，浙江大学杭州国际科创中心量子计算创新工坊首次发布“莫干1号”“天目1号”超导量子芯片学术成果。半年多时间过去，社会各界都在关注超导量子芯片到底可以用来干什么？2022年7月22日，浙江大学在杭州国际科创中心重磅发布“天目1号”超导量子芯片系列应用成果，用优异成绩给出了回答。浙江大学党委常委、副校长王立忠，萧山经开区党工委委员、管委会副主任朱国军，浙江大学物理学院党委书记颜鹂、计算机科学与技术学院党委书记彭列平、科创中心主任杨建义、计算机科学与技术学院副院长尹建伟、科创中心量子计算创新工坊负责人王浩华以及合作单位有关负责人出席发布会。中国科学院院士、量子计算创新工坊首席科学家朱诗尧以线上方式发表致辞。王立忠在致辞中表示，浙江大学与杭州市共建科创中心，坚持在量子科技等前沿领域下好先手棋、打好主动仗。两项最新研究成果的发布，标志着学校在探索新奇物质、构建量子计算科研生态等方面实现了新的突破。希望大家坚持做仰望星空的追梦人、脚踏实地的奋斗者、面向未来的攀登者，加大关键核心技术攻关，勇攀量子科技领域高峰，取得重大原创性成果。朱诗尧院士对各界的关心支持表示感谢，并介绍了自“莫干1号”“天目1号”超导量子芯片学术成果发布以来，取得的量子研究新进展。他说科技发展就像跑步，不仅要跑得快，还希望更多人加入跑步队伍，让我国量子计算跑出更好成绩。朱国军对成果发布表示祝贺，并指出科创中心始终坚持科技创新和产业创新双向联动，以实际行动诠释“求是创新 奔竞不息”的科创文化。希望科创中心胸怀“两个大局”、心系“国之大者”，持续加强基础研究、突破关键核心技术、推动科技成果转移转化、助推产业转型升级，萧山经济技术开发区也将一如既往做好保障工作。两大成果重磅发布依托量子计算创新工坊自研的“天目1号”超导量子芯片，浙江大学物理学院王震、王浩华研究组与清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组等合作，在超导量子芯片上首次采用全数字化量子模拟方式展示了一种全新的物质——拓扑时间晶体，解开了世界科学家都高度关注的科学问题，该成果已于近日亮相《自然》（Nature）杂志。与此同时，浙江大学计算机科学与技术学院尹建伟团队开发了首个面向用户的、支持多量子计算机并行调度的超导量子计算云平台——“太元一号”，该平台利用可视化的编程环境，降低量子计算机的使用门槛，可远程访问“天目1号”量子芯片，为量子计算机在多行业的广泛应用打下坚实基础。全数字化模拟！寻找神奇的拓扑时间晶体什么是时间晶体？这个构想是2012年诺贝尔物理学奖获得者、麻省理工学院教授Frank Wilczek最早提出的：我们日常熟悉的晶体，比如食盐、矿石等，构成它们的原子在空间排列上是呈一定的周期性变化的；而时间晶体试图把“晶体”的特征拓展到时间维度，它在时间上也呈现一定的周期性变化。“常规的时间晶体已在某些实验平台中实现，我们想做别人没有做过的。”论文通讯作者之一、浙江大学研究员王震介绍道，2年前偶然得知清华大学的邓东灵老师想做“拓扑时间晶体”，他们觉得很有吸引力并与之开展合作，依托浙江大学的超导量子计算平台进行探索，尝试在“天目1号”超导量子芯片上创造这类全新的时间晶体。目前，该成果研究论文Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases（数字化量子模拟Floquet对称保护拓扑相）已在国际顶尖期刊《自然》（Nature）杂志发表，论文第一单位为浙江大学物理学院和杭州国际科创中心。王震介绍，量子计算是通过在量子比特上执行逻辑操作，也就是量子门实现的。不同量子门组合成不同的算法“积木”，用于搭建科学家心目中的“建筑”。浙大研究团队就在倾心打造通用性更高的量子“积木”。“当要解决具体的问题时，只需要调用组合不同的‘积木’，而不需要更换芯片。” 论文共同第一作者，浙大物理学院的博士生张叙和邓金凤认为，数字化量子模拟是一条通往通用量子计算的必经之路。在评估了清华大学邓东灵研究组提出的精妙构思后，浙大研究团队首次尝试了“全数字化量子模拟”的实验方案，使用超导量子芯片（“天目1号”）上的26量子比特，通过深度高达240层的量子门线路实现了邓东灵老师所设想的全新的时间晶体。这是比“类比量子模拟”通用性更强的实验方案，使用超导量子芯片具有更高的编程灵活度，以及更高的量子门精度，以执行更多种类的量子算法。通过全数字化量子模拟，研究团队首次成功模拟了一个26个“准粒子”组成的链状拓扑时间晶体，通过调制系统扰动，实验成功刻画该拓扑相与平庸热化相的边界。这就有点类似于一排小朋友听着耳机转圈圈，即使音乐的节奏变了，仍可以观察到一头一尾两个小朋友存在稳定的 “默契”，周期性地呈现某种呼应。这一研究的成果，不仅表明了超导量子芯片上使用数字化量子模拟可以制备拓扑时间晶体，更表明了这种方法有望被用于探索更多的物理学前沿问题。更加精准！更好操作！太元一号量子云平台亮相当前，受到摩尔定律限制，经典计算机的性能发展正面临着重大瓶颈。量子计算可提供强大算力，具有超越经典计算机的巨大潜力，有望在网络通信、生物医药、金融应用、气象预测等领域，解决一些经典计算无法解决的任务。但是现有量子计算机存在的应用难点，又让不少使用者望而却步：一是量子比特数受限，现有量子计算可解决的问题规模小，量子芯片门保真度低，计算结果不够准确；二是用户学习成本高，量子计算涉及到量子力学、数理逻辑、计算机科学等复杂的理论知识，使得学习和开发量子算法的门槛很高；三是量子计算机价格昂贵，难以惠及广大科研人员，仅制造一台量子计算机就需要至少千万级别的硬件成本，更不用说后期系统维护的不菲费用了。针对这些难点，浙江大学计算机科学与技术学院联合量子计算创新工坊，基于自研的“天目1号”超导量子芯片，共同开发了首个面向用户的、支持多量子计算机并行调度的超导量子计算云平台——“太元一号”量子云平台（又名：JanusQ Cloud），让更多的社会公众体验量子计算成为可能。太元团队的百人计划研究员，卢丽强（左一）介绍道，太元量子云平台拥有三大亮点。亮点一是基于“天目1号”芯片，开发了面向用户的、支持多量子计算机并行的作业调度方案，提升可用量子比特的规模。目前，国内外已开放的量子云平台仅支持对单个量子芯片进行任务调度使用，尚未高效实现并行的量子计算机调度方式。在太元量子云平台中，用户可同时调用多个量子芯片，将特定应用中可拆解的复杂计算问题并行地部署在量子计算机上，从而提升可用量子比特的数量，提高量子计算的效率。亮点二是友好的编程环境。量子编程需要用户对量子计算有一定了解，为了降低非专业用户的量子计算开发门槛，提高量子程序的可理解性，太元量子云平台自研了交互式可视化编程框架。太元云平台的主要开发者，谭思危博士表示，太元云平台向用户可视化地展示量子电路编译和量子计算结果，操作更加便捷智能，而这也是首个将量子计算过程可视化的编程框架。亮点三是云平台开放接口。为了拓宽应用领域，太元量子云平台提供上层接口，支持用户自定义构建各类领域的量子算法应用，通过远程访问即可使用量子计算机进行计算。太元团队的尚永衡研究员还介绍道，该云平台搭建了用户交流社区，为更多领域研究者探索量子优势提供资源，为打造开放共享的量子科研生态提供有力支撑。科研人员表示，希望通过太元量子云平台的建设，能够积极推进“量子+”交叉学科领域研究，加速量子计算从基础研究到产业应用，从而推动量子计算产业蓬勃发展。

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