1 月 31 日，我国第一条量子芯片生产线在安徽合肥向公众亮相，这条生产线生产的芯片正在为“悟空”量子计算机做准备。
目前，我国已经成为第三个拥有量子计算机制造能力的国家，制造公司正是位于安徽的合肥本源量子。
而量子计算机被认为是新一轮科技的战略制高点，量子芯片也被看作是“硅芯片”的升级产品。
那么问题来了，量子芯片究竟是什么？能否带领我们突破芯片难题，摆脱“卡脖子”？
量子芯片
什么是量子芯片？
量子芯片其实就是把量子线路集成在基片上，使其具备处理量子信息和数据的能力。
量子芯片未来也要走集成化道路，这一点和传统芯片相似。不同的是，传统芯片增加的是晶体管数量，而量子芯片增加的是量子信息。
为什么要研发量子芯片？
我们都知道摩尔定律，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。
传统的硅基芯片一直按照摩尔定律更新迭代，但随着晶体管数量的增加，工艺制程下降至 5nm、3nm 时，出现了越来越严重的“量子隧穿”效应。
由于量子遂穿，导致芯片的良品率下降，漏电率提升。甚至科学家们认为 1nm 就是硅基芯片的尽头。
那么，与其花费大量精力解决量子隧穿问题，倒不如研发量子芯片来代替传统芯片，于是各国开始投入资金研发量子芯片。
目前在该领域，中美日走在世界的前列。
量子芯片与传统芯片有哪些不同之处？
1、材料不同
传统芯片是以硅为原材料的半导体；
而量子芯片原材料则更为丰富，可以是超导体、半导体、绝缘体或者金属。
2、逻辑不同
传统芯片通过控制晶体管的电压，从而产生一个数据“0”或“1”，0 表示关，1 表示开。
0 和 1 共同组成了二进制数据，它的基数为 2，遵守“逢二进一”、“借一当二”的规则。计算机中所有的信息都将转化为由 0 和 1 组成的代码，然后进行存储和传输。
量子芯片的数据采用微观的量子表示，根据量子力学原理，量子数据可以表示“0”、“1”，也可以同时处于“0 和 1”的叠加状态。
这种叠加状态就是量子芯片的最大特色，它可以进行多路径计算，因此效率更高、结果更精确。
3、工艺不同
传统芯片首先制造晶圆，制造出来的晶圆上没有电子信息，然后在晶圆上光刻电路图，最后进行封装测试。
量子芯片先通过分子束外延生长含有二维电子的基片材料，然后再进行刻蚀，最后通过电子束蒸发金属镀膜，加上金属剥离技术，最终获得量子芯片。
4、性能不同
量子芯片的性能比传统芯片性能更强。
当传统芯片接近理论的技术瓶颈时，量子芯片可以轻松突破，并且可以再提升百倍、千倍。
做个比喻，如果传统芯片是自行车，那么量子芯片就是飞机。
一台搭载 50 个量子的计算机，其速度可以超越神威太湖之光计算机。
总的来说，量子芯片对于传统芯片就是全面的升级，甚至是推倒重来，仅在概念和算法上模拟传统芯片。传统芯片就像砖和木头盖房子，量子芯片就是钢筋混凝土盖高楼大厦。
量子霸权
业界公认 50 量子比 特币的芯 片就可以达到量子霸权的标准。
“量子霸权”于 2012 年由美国加州理工学院理论物理学家约翰·普瑞斯基尔提出，指量子芯片可以做到传统芯片实现不了的事。
量子霸权最早被谷歌打破。
2019 年 10 月，谷歌在《自然》杂志上发表论文，其研发的量子计算机在 200 秒内完成了传统计算机需要花 1 万年才能完成的任务。
这项试验是基于一个包含 54 个量子比特的量子芯片“西克莫”。此次成果可以媲美莱特兄弟发明飞机。
但 IBM 表示怀疑，因为按照 IBM 的估算，谷歌的计算结果利用超算仅需要两天半时间就可以完成，根本用不了 1 万年。也就是谷歌的“西克莫”根本没有达到量子霸权的标准。
同时 IBM 还质疑了“量子霸权”，它认为这对传统计算机及芯片会产生误导，量子芯片永远不会凌驾于传统芯片之上，它们只会相互协调、相互配合。
国产“九章”逆袭谷歌
2021 年 12 月 4 日，中国科学技术大学的潘建伟院士，带领团队与国家计算机中心合作打造了 76 个光量子的计算原型“九章”。
通过试验，九章可以在一分钟内解决“高斯玻色采样”任务，而用太湖之光超算来完成任务则需要一亿年。
九章在速度方面超越了谷歌的“西克莫”，可以算的上真正的“量子霸权”。
IBM 发力
当大家还在努力超越 50 量子比特时，IBM 发力了，直接超越了 100 量子比特。
IBM 在量子计算机领域投入了大量的人力、物力、财力，已经处于领先地位。IBM 率先推出了首个超过 100 量子比特的芯片“Eagle”，拥有 127 个量子比特。
“Eagle”采用了全新的架构，总体呈现六边形，堆叠了多层芯片，同时减少了相应的链接，可以有效降低干扰、提高准确度。
2022 年 11 月，IBM 在年度量子峰会上推出的 433 量子比特的 Osprey 芯片，再创新高，比 127 量子比特的 Eagle 芯片多出近三倍。
IBM 表示将在 2025 年推出 4000 量子比特的芯片，实现“量子优势”的里程碑。
量子比特是衡量量子芯片、量子计算机性能的重要标准，增加量子比特可以使芯片性能指数级提高。这就是各国比拼量子比特币数量的原因。
在 IBM 看来，实现 1000 量子比特以上的量子芯片，才算是“量子霸权”。按此说法，目前的量子芯片距离“量子霸权”还很远。
我国量子技术如何？
我国的量子技术处于领先地位，但整体来说仍落后于美国。
在专利方面：
截至 2022 年 10 月 18 日，全球公开的量子计算领域的专利排行榜如下：
第一名、美国 IBM，1323 件；
第二名、美国 谷歌，762 件；
第三名、加拿大 D-Wave，501 件；
第四名、美国 微软，496 件；
第五名、美国 诺格公司，262 件；
第六名、中国 本源量子，234 件；
可以看出，在量子技术的专利方面，美国依然处于绝对领先位置，我国的本源量子在国内很优秀，但与 IBM、谷歌仍有不小的差距。
量子通信领域
我国的量子通信技术领先世界。
早在 2016 年 8 月，我国就发射了全球首颗量子实验卫星，由中科院国家空间科学中心负责研发，搭载在长征二号丁火箭上升空。
墨子号实现了相距 1200 公里两个地面站之间的量子态远程传输，创下了上千公里的量子密钥的分发。
2017 年，中国开通了世界第一条量子保密通信干线“京沪干线”。
2017 年 9 月 29 日京沪干线开通的新闻发布会上，中科院院长白春礼通过“墨子号”与奥地利科学院院长安东·塞林格进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话。
2021 年，潘建伟、陈宇翔、彭承志在《自然》上发表了文章，文中提到了墨子号与京沪干线连接总跨度达到了 4600 公里，也就是可以实现 4600 公里的量子通信。
量子通信最大的优势就是加密，传统通信暴露出越来越多的安全问题，而量子通讯则完美的解决了这个难题。
量子通信可以让信息的接收、发送方同时获得一段随机的字符，双方手里的随机字符是完全相同的，但第三方无法窃听，因为一旦窃听就会被立刻发现，这都是由量子力学原理保证的。
欧美等国家也在量子通信方面投入大量资金，但仍然没有达到我国的高度。这一点绝对是值得骄傲的。
量子芯片方面
在量子芯片方面，我们仍然落后于美国。
很多网友幻想着弯道超车，但实际上哪里有什么弯道超车，只有不断地努力研发，才能实现追赶超越。
传统芯片领域，美国一直处于领先地位，在量子芯片领域，美国依然处于领先地位。这得益于其在该领域庞大的投资。
量子芯片是用来提高算力的，而算力的提升直接关系到数据的解读，也影响着未来的预判。这就是美国大力发展量子芯片的原因。
目前，IBM 研发的量子芯片已经达到了 433 量子比特，大幅领先于我国的 76 比特。谷歌、微软的研发实力也十分强劲。
研发量子芯片，也需要更多的人才，以及传统芯片的技术和材料物理，这些我们都不具备优势。
总的来说，我国在量子通信是我们的优势，但在专利及量子芯片方面仍然比不过美国。所以未来，在量子技术方面，我们仍然需要加倍努力。
量子芯片可以摆脱 EUV 光刻机？
EUV 光刻机是 7nm 及以下传统芯片的必需设备，那么量子芯片是不是也需要 EUV 光刻机呢？
目前对量子芯片的研究主要包括：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。
EUV 光刻机针对的是硅基芯片，而超导、金刚石、光量子显然不会用到这类设备。
此外，量子芯片不需要在基体上雕刻几百亿个晶体管，而是通过电子束外延生长量子，可以说二者的工艺并不相同，因此对光科技的需要差异很大。
量子芯片还可以使用碳基材料，而碳基芯片采用的是碳纳米管搭建技术，根本用不到光刻机。
可以说，量子芯片完全有能力绕开光刻机，使用其他的设备进行制造。即便是用到光刻机，也不需要 EUV 这类顶级设备。
目前，我国第一条量子芯片生产线已经搭建完毕，这条生产线中并没有出现 EUV 光刻机，这也恰好提供了佐证。
如果我国能够将量子芯片技术发扬光大，使其应用在更多的场景中，那么不但可以有效的提高芯片的性能，同时也能绕开 EUV 光刻机，彻底摆脱“卡脖子”。
写到最后
安徽合肥搭建的量子芯片生产线，是我国在量子芯片领域的重大突破，同时也证明 了我 国有制造量子计算机的能力。
量子芯片与传统的硅基芯片制造技术并不同，可以完美的绕过 EUV 光刻机技术，同时将芯片的性能提升千倍、万倍。
如果我们能够打造一条完全自主的国产量子芯片产业链，那么摆脱“卡脖子”，逆袭欧美日韩，都是有可能的。
我是科技铭程，欢迎共同讨论！
原文链接：https://www.163.com/dy/article/HSO9P3020553T53J.html
