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威能(Vaillant)官方售后服务中心 > 新闻资讯 >安徽合肥:国内首条量子芯片生产线投运!我们与国际先进只差3年
国内首条量子芯片——悟空芯生产线,自2022年1月在安徽合肥投入运营一年以来,已交付了多个批次的量子芯片,这种量子芯片是专门为“悟空”量子计算机配套的。
量子计算,我们哪里行?量子计算大家经常听到,并不陌生,但是量子芯片是什么呢?简单讲就是量子计算机的“大脑”。有人觉得这会不会又是骗经费的项目呢?带着这个疑问,我们来深度探究一下。
在说正题之前,小编先长长自家志气,看看咱们在量子计算领域有哪些拿得出手的本领。提到量子计算,其实这是一个研究范围很大的领域,有些方面欧美日做得不错,但有些方面我们则更为领先。
下面两张图表清晰地表明美国在量子算法、量子计算模型、量子比特的物理实现、量子计算机的核心量子纠错等方面要强于我国,但是咱们得益于量子通信的研究优势,在量子纠缠、量子退相干、量子传输协议、光量子计算等领域对美国有一定的优势,对主流的超导量子计算的攻关优势也较为显著。所以不必妄自菲薄,咱还是可以的。
量子计算,我们哪里还不行?当然也不要盲目尊大。20世纪80年代量子计算的概念最早出现,物理学家保罗·贝尼奥夫奠定了量子计算的基础;到了90年代,美国贝尔实验室的科学家提出了量子分解算法和量子搜索算法。要知道在10年前的2013年,量子计算对于我国而言还是陌生未知的领域。这样看我们与美国有着大约20年的科研和技术发展差距。但是,仅仅过了10年,我们跟世界先进水平之间是什么关系呢?
负责“悟空”量子计算机研制的本源量子负责人郭国平给出了自己的理解。他认为未来各国国力的竞争就是算力的竞争,量子计算机颠覆了传统的计算方式,形象地大概比较一下,一台量子计算机1秒的算力与1600台传统计算机的算力相当,所以就成了“兵家必争之地”。
近年来,美国以谷歌、IBM、英特尔、IonQ公司为代表的企业纷纷进军量子计算,所以发展迅速。作为行业龙头企业的带路人,郭国平理智地判断:“我国量子计算芯片在战术层面仍处于落后的位置,与国外最先进技术有3年左右的差距,且差距有扩大的趋势。”这就是我们在这场全球角逐中的位置。如果用数据说话的话,大家可以看一下:
■ 谷歌公司:主要致力于超导量子计算,2018年3月发布了72量子位的Bristlecone处理器;2019年10月谷歌量子人工智能实验室研制出54量子比特的可编程超导Sycamore处理器,宣称实现了“量子霸权”。
■ IBM公司:也致力于超导量子计算,宣布搞定了50量子位的计算机,并在2020年9月发布了65量子比特的Hummingbird处理器,并计划在2021~2023年分别推出127、433、1121量子比特的处理器‘’
■ 英特尔公司:重点研发基于硅自旋量子比特的商用量子计算机,在2018年初交付了49量子位的超导测试芯片,被视为里程碑;在2019年12月公布首款低温控制芯片Horse Ridge,能够控制多种量子比特(超导量子比特和自旋量子比特)。
■ IonQ公司:重点探索囚禁离子量子计算,是这个路径的领军者。2020年10月公布了32量子比特的量子计算机系统。
2019 年8 月,我国浙江大学Chao Song 等人成功研制含有20 个量子比特的超导量子芯片,并通过该量子芯片成功实现了全局纠缠。
我国量子计算的行业龙头合肥本源量子,技术力量源于中国科技大学,在2017年10月上线“本源量子计算云平台”,采用超导量子芯片;并于2020年9月推出超导量子计算机——本源悟源,搭载了6比特超导量子处理器夸父KF C6-130。
咱们能不能弯道超车?在传统计算机芯片研究生产领域,咱们产业基础薄,起步又晚,所以一直在瞄准国际先进水平在追赶,但是人家凭着发力早,早早占据了绝大多数的专利技术,对我国形成技术封锁。但是传统芯片目前发展速度趋缓,已经基本快到顶了。
现在的量子计算芯片却是一条新赛道,在这条赛道上,国际先进水平并没有落下我们多少,有的甚至我们在领跑。所以郭国平中肯地讲“我们现在是换道超车”,“不过别人也很精明,我们能想到的别人也早想到了”,“传统芯片有30年的差距我们都没放弃,如今量子芯片只有3年的差距更应该咬得住”。
谈超车尚早,但是咱们有“换道超车”的可能。这是因为量子计算芯片的研制不依赖于最先进的传统芯片生产线,在国内已经成熟的生产线上就可以完成。由于量子计算是新玩法,虽然有美国等公司仍然在专利技术领域跑马圈地,但是咱们也在努力地扩大地盘,鹿死谁手还不一定呢。比如量子本源就把未来的六大研发方向,分别是量子计算机、量子芯片、量子测控、量子软件、量子云、量子人工智能。
如今他们在“悟空芯”生产线上已经导入24台有关工艺设备,孵化了3套自研专用设备,生产出1500多个批次流片试制的产品。但是郭国平却说:功成不必在我,也许他这辈子都看不到真正的量子计算机的诞生,但是在下一次技术变革来临的时候,中国人不要再被“卡脖子”,等后人研发出来后,别忘了给他“烧”上一台。
硬核科普——量子芯片量子芯片是量子计算机的核心部件。目前有三种量子芯片被广泛研究,分别是:超导、半导体和离子阱量子芯片。三种芯片各有优劣:
■ 超导量子芯片:电路设计难度随着比特数增多而增大。
■ 导体量子芯片:计算性能不如另两种,但完全基于传统半导体工艺,只要科学家能在实验室里实现样品芯片,其大规模工业生产理论上不存在问题。
■ 离子阱量子芯片:计算性能优异,但体积庞大。
超导量子芯片:可以利用微纳加工工艺,超导约瑟夫森结是其核心元件。中间的绝缘层厚度一般小于10纳米,这样两块超导体内的Cooper 电子对通过隧穿效应穿过绝缘层可以到达另一边。器件的外界电磁偏置使两块超导体的波函数的相位差产生联系,使得电子具有相当高的横跃此薄层量子力学的振幅。这种量子隧穿效应可以用来制作量子器件。
半导体量子芯片:就是能够进行逻辑运算和处理量子信息过程的量子处理器,基于门控量子点操纵单电子自旋,是研制量子计算机的核心器件,类比于经典计算机全电控的半导体中央处理器(CPU)。差别在于传统计算机使用二进制的经典比特(用晶体管高低电平表示0和1),而量子计算机采用量子比特(每个数据位用微观量子态表示,除了可以处于0、1状态之外,还能同时处于1和0两种状态 叠加态)。制备时首先通过分子束外延生长含有二维电子的基片材料;然后,通过高分辨电子束刻蚀、光学刻蚀等制备量子点结构的图形;最后,通过电子束蒸发金属镀膜,再利用金属剥离技术,获得半导体量子点芯片器件。
离子阱量子比特之间的相互作用力为库仑力。在该类型芯片中,用离子的内态能级编码量子位,而用晶态离子的集体振动声子态编码运动量子比特位。用于产生量子比特的原子就在芯片的中心位置,被激发并被电磁场和库仑相互作用所束缚。在高真空中使用电磁场捕获离子化的原子可形成电离后原子的势阱。
结语期待我国未来能在量子计算的诸多领域能够换道超车成功,不再被国外卡脖子,没准反过来我们也能卡卡某些不友好国家的脖子。
参考资料,特此致谢!
1、《中美量子计算研发现状对比分析及启示》
2、《量子计算辟蹊径 科教报国会有时 ——专访本源量子创始人郭国平》
3、《量子芯片的研究现状与应用》
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