光量子芯片，中國或?qū)⒂瓉硇聶C遇

后摩爾時代，光量子芯片為中國開辟新的崛起之路。

4月7日美國政府撥款2500萬美元支持芯片代工廠格芯開發(fā)光量子計算機。

4月14日英特爾與代爾夫特理工大學(xué) (TU Delft) 在英特爾半導(dǎo)體制造工廠使用替代和先進工藝成功地在28 Si/28 SiO2 界面上制造了量子點。

4月19日荷蘭政府將通過國家基金并動員其他私營部門機構(gòu)，向該國光子集成電路（PIC）產(chǎn)業(yè)投入11億歐元，推動本土企業(yè)發(fā)展。

4月26日據(jù)外媒報道，由德國初創(chuàng)企業(yè)Q.ANT牽頭，14家合作伙伴組成“PhoQuant”項目，目前正在開展可在常溫下運行的光量子計算芯片研發(fā)。

究竟是什么原因讓各國紛紛投入光量子芯片的研發(fā)？

近年來，光量子計算中興起了一種使用光纖作為光量子的內(nèi)存，進而用光量子內(nèi)存來提升容錯量子計算的量子比特數(shù)目的方法。

隨著集成電路技術(shù)逐漸接近原子極限，量子計算被認為是后摩爾時代最具潛力的破局者。相比經(jīng)典電子計算機，量子計算可以提供指數(shù)級的算力提升，從而突破目前日益復(fù)雜的金融模型計算、生物醫(yī)藥、材料設(shè)計和人工智能等領(lǐng)域的算力瓶頸。

今年2月，國防科技大學(xué)計算機學(xué)院QUANTA團隊，聯(lián)合軍事科學(xué)院、中山大學(xué)等國內(nèi)外單位，研發(fā)出一款新型可編程硅基光量子計算芯片，實現(xiàn)了多種圖論問題的量子算法求解，被外界認為是繞開光刻機的辦法之一，而美國卻眼熱要求技術(shù)共享。

這種新型量子芯片雖然也是采用微納加工工藝，但是主要是在單個芯片上集成大量光量子器件，由于生產(chǎn)原理的不同，所以可以繞開光刻機的限制。

一旦光量子芯片成功商用，諸如7nm、5nm等制程工藝的研究將失去原有的意義，芯片制造領(lǐng)域也將邁進一個新的里程，我們將突破芯片制造被卡脖子的困境。

光量子芯片的研發(fā)和制作，并不依賴西方的高端光刻機，一旦該技術(shù)研制成功，并且走向成熟，我們將徹底打破被西方卡脖子的局面。甚至在該領(lǐng)域，乃至未來全球的芯片市場，我們都能占據(jù)優(yōu)勢。

量子領(lǐng)域重大突破的消息意味著，未來我國不僅將重點發(fā)展新型碳基芯片，還將加大量子芯片技術(shù)的研發(fā)力度，作為未來中國芯片科技發(fā)展的新方向。

揭開光量子芯片的“神秘面紗”

制造光量子芯片最引人注意的一點就是可以不借助于光刻機。

在制造原理上光量子芯片和傳統(tǒng)芯片有很大的區(qū)別，因為光量子芯片主要由數(shù)目龐大的光量子器件集成，而這些器件的制造雖然需要使用到微納米加工技術(shù)，但是對加工設(shè)備的要求并不像加工傳統(tǒng)芯片那樣嚴格，只需要借助低端的光刻機就可以完成。

其次光量子芯片跟傳統(tǒng)芯片相比優(yōu)勢格外明顯，使用光作為信息傳遞的載體，儲存的信息可以保存更長的時間，而且光量子芯片對外界的抗干擾性更強，兼容性更好，操控精度更加準確，是未來芯片主流的發(fā)展方向。

光量子芯片可通過一種動態(tài)編程結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的重新建立解決了定點搜索等復(fù)雜的算法問題，顯示了其在實現(xiàn)特定量子計算應(yīng)用方面的巨大潛力。

PsiQuantum重磅論文解讀光量子通用計算方案

在美國著名光量子計算公司PsiQuantum發(fā)表的論文中提到兩種方案：模塊化的容錯光量子計算的架構(gòu)和時分復(fù)用的方法。

模塊化的容錯光量子計算的架構(gòu)，第一次完整展示了其走向百萬光量子比特的技術(shù)路線，印證了新一代具備光子處理模塊，數(shù)字處理模塊和光纖內(nèi)存的光量子計算架構(gòu)的可擴展性和先進性。

在超導(dǎo)技術(shù)路線中，量子比特一般是以陣列的方式呈現(xiàn)，可以長時間存儲量子信息，并對其進行門操作和測量。而光量子的相干性優(yōu)異，但是飛行光子的缺點是易損耗，測量完之后即被銷毀。因此PsiQuantum此前研究了更適合光量子的容錯計算的方式，也就是基于融合的量子計算。

在光子FBQC架構(gòu)中，有兩個核心設(shè)備：資源態(tài)生成器（resource-state generators，RSG），用于周期性生成少量光子的糾纏組成的資源態(tài)（resource state），或者說小規(guī)模的簇態(tài)（cluster state）；融合設(shè)備（fusion devices），通過對兩個或多個資源態(tài)，進行少量光子糾纏的測量，并把這些資源態(tài)融合成更大的簇態(tài)。

有了以上兩種設(shè)備還不夠，要進一步擴大這種光量子計算的量子比特規(guī)模還需要采用時分復(fù)用方法，這種方法構(gòu)建了“光纖內(nèi)存”這一重要模塊。如果我們用時分復(fù)用的方式，每1ns有一個光子進入光纖，那么1公里的光纖內(nèi)存可以暫態(tài)存儲超過5000個光子。低損耗光纖是光量子計算架構(gòu)中負責(zé)提供大容量量子內(nèi)存的核心部件。簡單來說一個光子在低損耗光纖里傳輸1公里，仍舊有超過95%的概率幾個毫秒后從光纖的另一端出來，這樣的損耗率可以用容錯FBQC來解決。

通過結(jié)合RSG、融合設(shè)備和光纖內(nèi)存的架構(gòu)設(shè)計，就可以實現(xiàn)具備容錯量子計算的數(shù)千個物理量子比特的計算能力。另一方面，把多個RSG連接成網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)完整的通用邏輯門計算。同樣的規(guī)模在靜態(tài)量子比特中，比如超導(dǎo)量子比特，需要每個RSG有5000個物理量子比特作為數(shù)據(jù)存儲才能實現(xiàn)。

RSG等設(shè)備對應(yīng)的就是光子處理模塊部分，而融合設(shè)備等對應(yīng)的是數(shù)字處理模塊，最后采用時分復(fù)用的光纖作為內(nèi)存。

最后，PsiQuantum的論文研究了光子FBQC，光纖內(nèi)存和拓撲容錯協(xié)議之間的結(jié)合，同時達到以下三個目標：

1. 單個RSG比一個靜態(tài)量子位要強大得多。通過在低損耗介質(zhì)(如光纖)中臨時存儲光子資源狀態(tài)，RSG中可以同時存在多達數(shù)千個現(xiàn)有的資源狀態(tài)。這使得每個RSG能夠模擬數(shù)以千計的靜態(tài)物理量子比特，以實現(xiàn)容錯的量子計算。

2. 光子FBQC的架構(gòu)是高度模塊化和可擴展的。大規(guī)模容錯量子計算機可以通過使用相同計算模塊組成網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)建出來。模塊由一些融合設(shè)備和宏觀光纖延遲組成，這些延遲用來做存儲器，并在模塊之間進行連接。因此，在擴展這樣的量子計算機時，主要的挑戰(zhàn)是構(gòu)建許多相同的RSG，而不是一大堆靜態(tài)量子位。RSG提供了一種替代方法，可以用來擴大非光子物理基礎(chǔ)器件的量子比特規(guī)模，如固態(tài)量子比特等。只要能夠轉(zhuǎn)化到合適的光子，就可以將它們作為嵌入大規(guī)模光子體系結(jié)構(gòu)中的自主操作的RSG來使用。

3. 模塊化組件之間的宏觀光學(xué)連接可以降低邏輯操作的成本。RSG產(chǎn)生的光子可以傳播很遠的距離，而且不像傳統(tǒng)架構(gòu)那樣的受到局域約束的影響。RSG之間的非局域連接提供了一套新的工具，能更有效地實現(xiàn)邏輯操作。

中國自主造芯，使命必達

目前正在研制的可編程光量子芯片是一個全新的領(lǐng)域，各國都在同一個起跑線，這無疑需要面臨著很大的風(fēng)險，但國家依舊堅持于此技術(shù)的研究，其主要原因有三個：

其一，量子技術(shù)是未來推動社會發(fā)展的主要動力，對光量子芯片的研究，可以促進量子技術(shù)的研究，有可能領(lǐng)先其他國家一步，打開量子時代的大門。

其二，目前使用的芯片主要都是由西方國家生產(chǎn)的，所有關(guān)鍵的技術(shù)都掌握在其他國家的手中，從國家安全的角度來講，這樣的事情是十分危險的，為了不讓自己的安全受制于人，發(fā)展屬于我們自己的芯片是一個勢在必行的舉措。

其三，光量子芯片的研發(fā)不僅僅是規(guī)避西方國家技術(shù)封鎖的舉措，更是關(guān)乎到國家的安全以及參與到新時代的發(fā)展?？删幊坦饬孔蛹夹g(shù)的突破顯示了我們國家雄厚的科技實力，一旦光量子芯片在國內(nèi)實現(xiàn)完全的量產(chǎn)，那么西方將不再有機會對我們的芯片技術(shù)造成封鎖，彼時我們將成為掌握“芯”時代關(guān)鍵技術(shù)的“造芯強國”。

全球都在戰(zhàn)略布局，爭奪未來量子計算的制高點，這一領(lǐng)域，中國不能輸。

光量子芯片的未來發(fā)展

數(shù)據(jù)處理：從戰(zhàn)略安全和發(fā)展戰(zhàn)略要求的角度來看，光量子芯片可以解決主要應(yīng)用中的許多重要問題，如數(shù)據(jù)處理方法耗時長、無法并行處理、功能損失大等。例如，在以激光測距、限速和高分辨成像為總體目標的長距離、高速運動的毫米波雷達中，以及在以生物技術(shù)和納米技術(shù)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)完成的高分辨無損檢測技術(shù)的新型測量顯微鏡相關(guān)成像武器裝備中，光量子芯片可以充分發(fā)揮其高速并行處理、低功耗和小型化的優(yōu)勢。

激光通信：室內(nèi)空間激光通信是目前解決室內(nèi)空間傳輸速度短的關(guān)鍵途徑，是打造綜合網(wǎng)絡(luò)信息的關(guān)鍵途徑；水下激光通信是解決水下數(shù)據(jù)信號傳輸環(huán)境危害的關(guān)鍵途徑，也是構(gòu)建一體化水下通信系統(tǒng)的關(guān)鍵途徑。此外，還有具有戰(zhàn)略安全和發(fā)展戰(zhàn)略要求的行業(yè)，如星間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、8G通信、智能遙感技術(shù)測繪工程等。所有這些都必須進行互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的快速、功耗和并行處理。光量子芯片將在這一戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。

算法優(yōu)化：AI光量子芯片是一種匹配光學(xué)測量框架縱橫比和人工智能技術(shù)優(yōu)化算法的芯片設(shè)計。具有廣泛應(yīng)用于無人駕駛、安全監(jiān)控系統(tǒng)、語音識別技術(shù)、圖像識別技術(shù)、診療、手機游戲、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、公司級服務(wù)器、大數(shù)據(jù)中心等重要人工智能技術(shù)行業(yè)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

人工智能：類腦光量子芯片可以模擬和模擬人腦的計算，在模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，根據(jù)光量子帶的信息內(nèi)容求解數(shù)據(jù)信息，使芯片可以實現(xiàn)類似人腦的快速并行處理和功耗計算。將微結(jié)構(gòu)光量子集集成到基礎(chǔ)光量子芯片和基于電子光學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，對于解決未來功耗、高速運行、寬帶網(wǎng)絡(luò)和大量信息資源管理等問題具有重要意義。

互聯(lián)網(wǎng)：每個人對計算機解決方案系統(tǒng)軟件的計算速率和速度都有越來越高的要求。破壞性創(chuàng)新的無效性使得電子芯片在處理速度和功能損失方面面臨巨大挑戰(zhàn)。光量子測量芯片具有并行處理速度快、功耗低的優(yōu)點，被認為是未來高速、大信息量和人工智能技術(shù)最有前途的測量和解決方案。

光量子芯片距成熟還要多久？

前有美國眼熱要求技術(shù)共享，后有各國紛紛布局。

后摩爾的一個時代全球缺芯的局面，給了中國的光芯片一個嶄新的舞臺。當(dāng)各個國家開始意識到光芯片的重要程度時，我們已經(jīng)對光芯片技術(shù)完成了突破，就連國外也傳來一些言論稱“全球光量子均還處于起步階段，技術(shù)壁壘還沒有形成，作為未來信息領(lǐng)域新的支撐，誰掌握了光量子芯片的核心技術(shù)，誰就會成為未來領(lǐng)導(dǎo)者，現(xiàn)在看來，中國很有可能。”

縱有千古英雄事，橫有人才守八方。

2022年以來，中國捷報頻傳，不管是全球物理學(xué)盛會上阿里的達摩院量子實驗室公布的兩比特的量子芯片技術(shù)，還是近日南科大量子科學(xué)與工程研究院彭亞濤副研究員在量子計算超低溫集成電路技術(shù)研究方面取得重要突破，或是國內(nèi)首家光量子芯片和光量子計算機公司圖靈量子近日宣布完成近億元人民幣天使輪融資，都意味著中國科學(xué)家為了中國在量子芯片領(lǐng)域有更大的發(fā)言權(quán)和制高點而作出艱辛努力。

任何一家企業(yè)都不應(yīng)該放棄技術(shù)創(chuàng)新，我國面對著非常復(fù)雜的市場環(huán)境，依舊采取了技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展方案。當(dāng)技術(shù)水平越來越高時，外界打壓只會變成國內(nèi)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動力。我們期待國內(nèi)芯片技術(shù)的發(fā)展，即使我們還有很長的路要走，哪怕十年磨一劍。但是光量子芯片肯定會引領(lǐng)第四次科技革命，我們的科學(xué)家正在全力以赴“保家衛(wèi)國”。

作者：豐寧