量子芯片，再次破局

文｜半导体产业纵横

​中国成功量产1500批次量子芯片，性能远超传统芯片。多家公司布局量子科技，涉及量子通信、量子计算等领域，推动量子科技市场快速发展。预计到2030年，全球量子芯片市场规模有望达到千亿美元。

为什么要开发量子芯片？

企业开发量子芯片的原因多种多样，主要原因是量子计算具有彻底改变计算领域和解决传统计算机实际上无法解决的某些问题的潜力。

解决复杂问题：量子计算机有潜力解决目前传统计算机无法解决的复杂问题。这包括优化、密码学、材料科学、药物研发等任务。

量子优势：各企业的目标是实现"量子优势"，即量子计算机能够比传统计算机更快或更高效地执行特定任务。这可能会为金融、物流和医疗保健等各个行业带来突破。

竞争优势：企业将量子计算视为竞争优势的源泉。处于量子技术的前沿可以让他们在各自的行业中占据优势并开辟新的商机。

由于以上优点，大厂公司纷纷布局了量子芯片。

谁在开发？

IBM发布了两款新型量子芯片，Condor和Heron，分别采用了超导和离子阱技术。然而，超导量子计算的最大难题是量子纠缠。QuEra的新型量子计算机采用硅自旋量子比特技术，具有高相干时间和低误差率，超过了IBM的Condor芯片。QuEra的新型量子计算机采用了48个逻辑量子比特的设计方案，并采用了模块化设计思路，可构建更大规模的量子计算机。该成果受到美国政府的资助，对全球科技发展和竞争格局产生深远影响。

此外，QuEra的新型量子计算机还采用了模块化的设计。这意味着不同的模块可以相互连接在一起，从而构建出更大规模的量子计算机。这种设计思路与目前主流的超导量子计算机类似，但是QuEra的新型量子计算机具有更高的相干时间和更低的误差率，因此在性能上更具优势。

最后，QuEra的新型量子计算机是由哈佛大学主导的，背后还有美国国防部高级研究计划局中等规模带噪声量子优化计划的资助。这说明美国政府在量子计算领域投入了大量的资金和资源，以保持其在该领域的领先地位。同时，这也意味着其他国家在该领域的发展也需要投入大量的资金和资源，以保持其竞争力。

QuEra的新型量子计算机采用了不同的技术路线和设计方案，具有更高的相干时间和更低的误差率，因此在性能上更具优势。这不仅对于美国政府和企业在信息安全、金融科技等领域具有重要意义，同时也将对全球范围内的科技发展和竞争格局产生深远的影响。因此，我们应该密切关注这个领域的最新进展和技术突破，以期能够更好地推动全球科技的发展和进步。对于人类而言，这绝对是一个巨大进步，同时也可以说是一个坏消息。因为量子计算机可以轻松破解各国政府、银行、企业所使用的加密协议，上到国家机密，下到社会安全号码，量子计算机都可以破解。这就意味着，世界将会没有任何的秘密。

Google 的 Bristlecone 是一款量子处理器，旨在展示量子霸权，这是量子计算的一个重要里程碑。虽然它主要是一种研究工具，但它展示了量子硬件的进展。在研究特定的应用程序之前，量化一个量子处理器的能力是很重要的。谷歌的原理团队（theory team）已经开发出了一种基准测试工具来完成这项任务。他们可以通过在设备上应用随机的量子线路来分配一个单一的系统误差，并通过一个经典模拟来检查抽样的输出分布。如果一个量子处理器的操作误差足够小，它就能在一个定义良好的计算机科学问题上超越经典的超级计算机，这是一项被称为"量子霸权"的成就。这些随机电路在量子位和计算长度（深度）上都必须很大。虽然还没有人达到这一目标，但谷歌的计算量子霸权可以用49量子位，一个超过40量子位的线路深度，还有一个低于0.5%的两量子位元的误差。谷歌相信，量子处理器优于超级计算机的实验证明将是这个领域的分水岭，并且仍然是他们的主要目标之一。

量子计算公司 Rigetti 提供对其量子处理器和名为 Forest 的量子开发环境的云访问。他们开发了 Aspen-9 和 Aspen-9Q 等量子芯片。

霍尼韦尔开发了一款与许多其他量子处理器架构不同的量子计算机。他们的设备基于离子捕获技术，并推出了用于不同用途的各种量子芯片。

国内多家公司也在布局量子科技，涉及量子通信、量子计算等领域，推动量子科技市场快速发展。

我国宣布成功量产高达1500批次的量子芯片，这一壮举震撼全球。这款被誉为"中国超级芯片"的量子杰作，其性能之强悍，远超传统硅基芯片，效能飙升千倍，而能耗却几乎可以忽略不计，仅为传统芯片的九万分之一。

例如，天和防务公司主营业务为"通信电子""新一代综合电子信息（天融工程）"三大业务体系和军工装备、5G射频、物联感知、行业大数据、数字海洋五大业务板块。公司子公司经过初步调研并依托现有业务进行布局，着眼于量子通信所用的极低温器件进行相关研发与实验，目前已开展了相关器件的极低温环境实验。

科大国创公司参股投资了国仪量子，国仪量子是一家全球知名的量子科技技术公司。

铜牛信息与国科量子签订了战略合作协议，双方将紧密合作积极推进量子通信技术的市场化和产业化进程，在链路加密、量子应用等方面加强合作并共同拓展云安全服务市场。

中科曙光在2017年9月27日，中科曙光与量子网络在北京举行战略合作签约仪式，双方将携手产业链合作伙伴共同打造量子通信产业生态圈。此次合作是我国量子通信产业化推进的重要实践，亦标志着曙光公司作为信息产业的"国家队"正式入局量子通信。双方联合研发的全球首款基于量子通信的云安全一体机QC Server重磅发布，这是我国继量子保密通信在科研领域走在世界前列之后，在应用和支撑领域又一次全球领先。

浩丰科技拥有量子应用安全服务平台的软件著作权，但在量子应用方面如何形成产业化尚在摸索阶段。

吉大正元在抗量子密码算法研究方面取得了一定进展，实现了抗量子签名的算法，并成功开发传统密码和抗量子密码混合模式的密钥生成以及证书签发功能，完成抗量子算法与数字证书技术的结合。

量子霸权如何霸？

过去十年，人们致力于开发量子计算机，这种计算机可以大幅加快某些计算领域的速度，从而彻底改变物理学、医学、生物学、人工智能和密码学等领域。研究人员利用先进的量子计算机原型作为概念验证，已经展示了"量子霸权"，即在几秒钟内计算出最快的传统超级计算机需要数千年才能完成的计算结果。

虽然这样的演示无疑标志着一个技术里程碑，但以难以想象的速度完成的任务不一定会在短期内预示量子计算机的商业化。为了确保量子技术在未来十年的持续发展，量子计算硬件需要在材料和制造工艺方面取得进展，其路径类似于推动传统计算发展的晶体管技术不断扩展。

英特尔在 300 毫米晶圆上实现量子比特芯片有着领先的优势。半导体 CMOS 技术能够将数十亿个晶体管压缩到由 300 毫米晶圆生产的传统计算机芯片上，英特尔认为相同的技术可以复制，以构建足以应对实际应用的量子计算机。这种方法是可行的，因为硅自旋量子比特与半导体晶体管有许多相似之处，而半导体晶体管构成了微处理器的构建功能块。自旋量子比特的尺寸很小，约为 100 纳米，这使得它们比其他量子比特类型更密集，从而可以在单个芯片上实现更复杂的量子计算机。英特尔采用的制造方法利用了极紫外 (EUV) 光刻技术，这种设备目前通常用于为计算行业制造大批量芯片。

英特尔的 300 毫米硅自旋量子比特晶圆

要实现具有数百万个均匀一致的纠错量子比特的容错量子计算机，需要高度可靠的制造工艺，而这些工艺只能在完善的晶圆生产基地进行。英特尔指出，它每年出货的晶圆包含约 800 千万亿 (800 x 1015 ) 个晶体管。按照这个速度，到 2025 年，这个数字将超过地球上所有人类细胞的总数量。

Tunnel Falls 是英特尔迄今为止最先进的硅自旋量子比特芯片，它借鉴了该公司数十年的晶体管设计和制造专业知识。这款 量子比特硅芯片在俄勒冈州希尔斯伯勒的 D1 制造工厂的 300 毫米晶圆上制造，标志着朝着构建全栈商业量子计算系统迈出了下一步，可供缺乏大批量制造机器的量子研究和学术界使用。unnel Falls 的使用权加上英特尔量子软件开发工具包 (QSDK) 的使用权，是实现量子计算研究民主化的切实努力。

同时，利用先进的 CMOS 生产线，英特尔可以使用创新的工艺控制技术来提高产量和性能。例如，英特尔声称 Tunnel Falls 12 量子比特器件在晶圆级的产量达到 95%，电压均匀性与 CMOS 逻辑工艺相似，每个晶圆提供超过 24,000 个量子点器件。每个 12 点芯片可以形成 4 到 12 个量子比特，这些量子比特可以同时被隔离和使用，具体取决于研究实验室如何操作其系统。