我国量子芯片再获突破,没有EUV光刻机,也能实现5nm芯片性能?

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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。

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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?

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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?

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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

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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

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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。

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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

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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

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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。

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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?

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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。

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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”。

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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。

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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。

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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?

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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。

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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

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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!

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原文链接:https://www.163.com/dy/article/HSO9P3020553T53J.html

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追风者
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