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作者：豐寧
近日，中國迎來了首顆500+比特超導量子計算芯片，這一里程碑式的成果標志著中國在量子計算領域取得了重大突破。這顆名為“驍鴻”的超導量子計算芯片，由中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院精心研制并成功交付給國盾量子。這款芯片在集成超過500比特的同時，量子比特的壽命、門保真度、門深度、讀取保真度等關鍵指標，有望達到IBM等國際主流量子計算云平臺的芯片性能，可以充分滿足千比特測控系統(tǒng)驗證的需求?！膀旞櫋毙酒膯柺?，對于推動大規(guī)模量子計算測控系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。它將被用于驗證國盾量子自主研制的千比特測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的集成度較上一代產品提升了10倍以上，核心元器件使用國產化設計，既提高了操控精度，又大幅降低了成本。這一系統(tǒng)的成功驗證，無疑將為中國在量子計算領域的進一步發(fā)展奠定堅實基礎。值得注意的是，“驍鴻”芯片的研發(fā)并非易事。超導量子計算芯片的研發(fā)需要克服諸多技術難題，包括如何讓量子比特的質量和數(shù)量同步提升，從而真正提升芯片的性能。中國科學技術大學博士、中電信量子集團副總經理王振表示，500+比特量子計算機的云端接入，可以高效承載各領域用戶對有實用價值的問題和算法開展研究，加速量子計算在實際場景中的應用，引領量子計算生態(tài)的快速發(fā)展。那么量子芯片究竟是什么？它又能為我們帶來哪些令人矚目的應用？展望未來，它又將擁有怎樣的發(fā)展前景？為何國內外眾多企業(yè)紛紛對其青睞有加？接下來，讓我們一同揭開量子芯片的神秘面紗。
?01、量子芯片與普通芯片有哪些不同？
量子芯片作為量子計算機最核心的部分，是執(zhí)行量子計算和量子信息處理的硬件裝置。但由于量子計算遵循量子力學的規(guī)律和屬性，量子芯片與傳統(tǒng)集成電路芯片在材料、計算能力、工藝成熟度、信息處理方式和應用領域等方面都存在明顯的不同。
從材料來看，傳統(tǒng)芯片的核心材料主要是硅。硅也是量子芯片常用材料之一，在硅材料純度上，相較于經典芯片而言，量子芯片的要求更高。此外，III-V族化合物（如砷化鎵、磷化銦）也是量子芯片制造中重要的材料，它們具有高電子遷移率和高載流子濃度，更適合制造量子比特，并且能級結構更容易控制。除此之外，量子芯片還可能涉及超導材料，石墨烯也被視為量子芯片的一種潛在材料。
從設計角度來看，同傳統(tǒng)集成電路芯片設計類似，量子芯片的設計也需要依靠設計和仿真軟件。但由于同半導體芯片電路特性不同，量子芯片電路原理和結構設計遵循完全不同的邏輯，不能直接使用現(xiàn)有的半導體芯片設計或仿真軟件，需要重新開發(fā)。
在工藝方面，量子芯片的制造工藝則更為復雜，特別是在處理超導材料或特殊半導體材料時，需要更高的工藝精度和更嚴格的環(huán)境控制。不過，超導量子比特受材料缺陷的影響較小，利用成熟的納米加工技術，可以實現(xiàn)大批量生產。
從計算能力來看，量子芯片具有明顯優(yōu)勢。以超導量子比特為例，其相干時間長、操作速度快、保真度高，能夠實現(xiàn)上千次操作。兩者的信息處理方式和邏輯結構也給兩者帶來了不同的計算能力。普通芯片使用二進制數(shù)字（0和1）表示信息，每個比特只能存在于兩種狀態(tài)之一。而量子芯片則使用量子位（qubit）來表示信息，量子比特可以同時處于多個狀態(tài)，即疊加態(tài)，并通過糾纏相互影響，使得它們之間的相互作用更加復雜和強大。這種特性使得量子芯片在處理復雜問題和執(zhí)行某些特定任務時，相比傳統(tǒng)芯片具有更高的效率和精度。
從安全性角度來看，量子計算機可以在不泄露原始信息的情況下進行加密和解密。這意味著，量子計算機在信息安全領域具有巨大的潛力，可以為我們提供更加安全的網絡環(huán)境。兩者在應用領域也有顯著差異，普通芯片廣泛應用于現(xiàn)代電子設備的計算、控制和存儲，而量子芯片則因其獨特的量子效應和疊加態(tài)運算能力，在量子計算、量子模擬、量子通信等領域具有廣闊的應用前景。例如，量子計算可以在密碼破譯、優(yōu)化問題、藥物研發(fā)等領域發(fā)揮重要作用。與現(xiàn)代大規(guī)模集成電路類似，半導體量子芯片具有良好的可擴展、可集成特性，被認為是未來實現(xiàn)大規(guī)模實用化量子計算的最佳候選體系之一。各大科技巨頭和企業(yè)紛紛搶灘布局，競相在這一領域開展研發(fā)，以期在未來的量子計算競賽中占據有利地位。
?02、2023年全球量子計算的十大進展
在全球范圍內，量子計算技術得到了前所未有的關注和投資，量子計算機研發(fā)已經成為全球主要國家在前沿科技領域攻關突破的重點方向之一。
IBM發(fā)布首款1000量子比特量子芯片
2023年12月，IBM在紐約舉行的年度IBM量子峰會上，推出了第一臺擁有1000多個量子比特的量子計算機。多年來，IBM一直遵循量子計算的路線圖，即量子比特數(shù)量每年大約翻倍。本次公布的芯片名為Condor，擁有1121個以蜂窩狀排列的超導量子比特。
IBM推出133量子位QuantumHeron
會上，IBM還推出了基于Heron芯片的最新量子系統(tǒng)IBM QuantumSystemTwo，并對量子系統(tǒng)的發(fā)展路線圖進行了重大更新。Heron具備133個量子比特和可調諧耦合器，與IBM之前的旗艦127量子比特Eagle處理器相比，其設備性能提升了3-5倍，并顯著減少了串擾現(xiàn)象。值得一提的是，Heron采用了創(chuàng)新的模塊化架構，其基礎是可調諧耦合器，與先前的量子處理器架構截然不同。
馬里蘭大學亞倫·斯米諾團隊研發(fā)最“長壽”量子比特
2023年5月，美國馬里蘭大學亞倫·斯米諾團隊證明，磁通量量子比特可將量子特性保持更長時間。在最新研究中，斯米諾團隊在藍寶石芯片上以特殊配置鋪設極細的鈦和鋁線，在一排排超導“島嶼”之間形成許多通道，從而制造出了磁通量量子比特。這些細線只有在極冷溫度下才是超導體，因此他們將其保存在溫度接近絕對零度的冰箱內。當芯片通電時，導線的特殊布局和超導特性使其具有幾種不同的量子態(tài)，每一個都可用來將信息編碼為1和0或者兩者的疊加。研究團隊也測量了芯片的相干時間，以揭示量子比特的“壽命”。斯米諾指出，最好的傳輸子量子比特的相干時間僅為數(shù)百微秒，而磁通量量子比特的相干時間約為1.48毫秒。他們也可改變量子比特的狀態(tài)，保真度為99.991%，使其成為現(xiàn)有最可靠的量子比特之一。
薩塞克斯大學和UniversalQuantum的研究人員實現(xiàn)在芯片上傳輸量子比特
2023年2月，來自薩塞克斯大學和UniversalQuantum的研究人員展示了他們如何使用一種新的強大技術，他們稱之為“UQ Connect”，使用電場鏈接使量子比特能夠以前所未有的速度和精度從一個量子計算微芯片模塊移動到另一個量子計算微芯片模塊。這使得芯片像拼圖游戲一樣拼在一起，制造出更強大的量子計算機。薩塞克斯大學和UniversalQuantum團隊成功地傳輸了量子比特，成功率為99.999993%，連接率為2424/s，這兩個數(shù)字都是世界紀錄，比以前的解決方案好幾個數(shù)量級。
俞大鵬院士課題組聯(lián)合團隊發(fā)文展示量子糾錯優(yōu)勢
2023年3月，南方科技大學量子科學與工程研究院俞大鵬院士帶領超導實驗室助理研究員徐源研究小組，聯(lián)合福州大學教授鄭仕標、清華大學教授孫麓巖等團隊在基于超導量子線路系統(tǒng)的量子糾錯領域取得突破性重大實驗進展。聯(lián)合團隊通過實時重復的量子糾錯技術延長了量子信息的存儲時間，在國際上首次超越盈虧平衡點，展示了量子糾錯優(yōu)勢。
NVIDIA發(fā)布用于加速量子-經典混合計算的全新系統(tǒng)
2023年3月，NVIDIA推出全球首個GPU加速的量子計算系統(tǒng)——NVIDIADGXQuantum結合了由NVIDIAGraceHopper超級芯片和CUDAQuantum開源編程模型構建的全球最強加速計算平臺,以及與由QuantumMachines構建的全球最先進的量子控制平臺OPX。該組合使研究人員能夠構建將量子計算與先進的經典計算相結合的超強應用，進而推動校準、控制、量子糾錯和混合算法的發(fā)展。
Quantinuum推出系統(tǒng)模型H2
2023年5月，Quantinuum宣布推出量子計算系統(tǒng)H2，并成功創(chuàng)造和操控非阿貝爾任意子（non-Abeliananyon），邁出了構建容錯量子計算機的關鍵一步。
Quantinuum通過邏輯比特實施容錯算法首次實現(xiàn)量子計算模擬
2023年7月，Quantinuum的科學家團隊在QuantinuumH1量子計算機上，使用了三個邏輯量子比特，運用一種早期容錯設備算法——隨機量子相位估計（StochasticQuantumPhaseEstimation），成功計算出了氫分子的基態(tài)能量。該項目的獨特之處在于，它將錯誤檢測作為算法的一部分。當代碼檢測到在計算過程中產生錯誤的量子比特時，代碼會立即終止計算，從而節(jié)省了量子資源。
IBM?Q集成Q-CTRL錯誤抑制技術零配置實現(xiàn)“量子系統(tǒng)性能暴增”
2023年11月，IBM Quantum將量子計算初創(chuàng)公司Q-CTRL的錯誤抑制技術軟件Q-CTRLEmbedded集成到IBM Quantum的按需付費計劃中，以提高量子計算實用性和性能。經同行評審研究以及系統(tǒng)測試，證明了量子系統(tǒng)可以運行的量子算法的復雜性增加了10倍、量子算法的成功率提高了1,000倍以上。
哈佛大學創(chuàng)史上最高48Q邏輯量子比特
2023年12月，致力于美國國防部高級研究計劃局（DARPA）中等規(guī)模帶噪聲量子優(yōu)化(ONISQ)計劃的哈佛研究團隊創(chuàng)建了史上首個具有邏輯量子比特的量子電路，該量子電路含約48個里德堡原子邏輯量子比特，數(shù)量居世界之最。
?03、量子計算成各國布局焦點
量子計算硬件技術主要分兩大類，一類是以超導和硅半導體為代表的人造粒子路線，另一類是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。
量子計算硬件研發(fā)目前處于各種技術路線并行發(fā)展和開放競爭階段。中國科技巨頭阿里巴巴、騰訊、百度和華為通過與科研機構合作等方式成立量子實驗室，布局量子處理器硬件、量子計算云平臺等領域；而初創(chuàng)公司-本源量子，則在量子處理器硬件、開源軟件平臺和量子計算云服務等方面進行探索。
在量子通信領域，國內企業(yè)紛紛布局，其中三大運營商一方面助力量子通信的應用落地，另一方面也不斷創(chuàng)新應用技術、提升通信等行業(yè)的安全標準。此外，從投資總額來看，2023年全球量子信息投資規(guī)模達到386億美元，其中中國投資總額達150億美元，位居全球第一，可見中國對量子科技發(fā)展的資金投入力度和重視程度。
今年以來，中國在量子計算方面的研發(fā)不斷取得新進展，產業(yè)化步伐明顯提速。除了“驍鴻”的發(fā)布，中國自主研制的第三代超導量子計算機“本源悟空”已經上線運行，吸引全球超過500萬人次訪問；北京玻色量子科技有限公司已發(fā)布新一代550計算量子比特的相干光量子計算機。
3月29日，中電信量子集團入圍國務院國資委確定的首批啟航企業(yè)，將加快建設抗量子計算的新型安全基礎設施，積極推動量子通信產業(yè)化和量子計算實用化。不過從現(xiàn)實來看，中國與在量子計算領域的發(fā)展與美國仍存在不小的差距，尤其是在量子芯片和超低溫設備等核心技術方面。作為量子技術的主要發(fā)展方向之一，量子計算因其具備計算能力跨越式發(fā)展的潛力，成為許多國家競相追逐的熱點。
美國在量子計算產業(yè)鏈上具有明顯優(yōu)勢，政府對量子計算的高度重視和大力支持推動了企業(yè)數(shù)量的增長，其中涵蓋了各類型的企業(yè)，包括IBM、谷歌、微軟、亞馬遜等代表性企業(yè)。美國在超導、離子阱、光量子等多個領域都保持領先地位，其科研創(chuàng)新和合作活躍，技術水平和引領能力處于全球前列。德國、法國和其他歐洲國家在量子計算生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展方面呈現(xiàn)出積極的趨勢。
德國政府的量子技術行動計劃旨在成為量子技術的全球領導者，提供資金和戰(zhàn)略框架。德國的量子計算企業(yè)數(shù)量排名全球第一，具有先進的技術能力，特別是在離子阱和中性原子等領域。不過，與美國相比，仍存在技術差距。
法國通過諸如國家量子技術戰(zhàn)略等文件強烈支持量子計算。然而，與美國和中國相比，投資和產出仍存在差距，硬件和軟件能力略低于德國。英國、日本、加拿大和其他國家在量子計算的發(fā)展方面也取得了巨大的進展。英國政府的科學技術框架和國家量子戰(zhàn)略旨在鞏固其作為技術超級大國的地位，但與美國和中國相比，它在規(guī)模和類型上仍存在缺陷。日本通過其量子未來產業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略強調實際和工業(yè)應用，但在量子軟件和服務方面仍存在一些缺點。加拿大已經啟動了一項國家量子戰(zhàn)略，得到了政府的大力支持，特別是在光子量子技術路線方面，盡管它在硬件和軟件能力方面略落后于美國。
?04、量子計算的商用元年是何時？
量子計算具有重要的科學意義和巨大的潛在應用價值。
一方面，在摩爾定律的前提下，以硅基為基礎的集成電路技術演進已接近物理極限，量子計算有望成為后摩爾時代計算能力跨越式發(fā)展的重要方案之一。
另一方面，量子計算作為新型算力，在數(shù)據處理速度和能力方面相比傳統(tǒng)計算機有顯著優(yōu)勢，未來有望成為加速AI發(fā)展的重要引擎?！笆奈逡?guī)劃”多次提到量子技術。2024年政府工作報告明確提出開辟量子技術、生命科學等新賽道，創(chuàng)建一批未來產業(yè)先導區(qū)。
4月24日，北京市經濟和信息化局、北京市通信管理局聯(lián)合印發(fā)《北京市算力基礎設施建設實施方案（2024—2027年）》，方案提出支持量子芯片等新型技術路線發(fā)展突破以及量子計算等先進技術研發(fā)；《山東省算力基礎設施高質量發(fā)展實施方案》也提出積極布局量子計算等新型算力，依托國家廣域量子保密通信骨干網絡，推動量子密碼應用技術和云計算技術相結合，探索量子通信規(guī)?；瘧?。
隨著量子計算算法的持續(xù)演進，量子計算及量子通信依靠其高保密性，低時延及高可靠性等特點，應用場景逐步從特種場景向民用消費級領域拓展，從而拓寬市場空間。ICV數(shù)據顯示，結合量子計算所需的物理學基礎與算法基礎，量子計算有望在10-15年內實現(xiàn)規(guī)?；逃?。
根據IDC數(shù)據，2022年全球量子計算技術(包括硬件、軟件和即服務解決方案)市場規(guī)模為11億美元，2027年將增長至76億美元左右。預計量子計算的商用元年在2030年，市場需求超過1000億美元，2022-2030年年均復合增長率達79.72%。
下載ECAD模型
