國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)量子芯片正式發(fā)布，兩條技術(shù)路線前景最廣

據(jù)量子計(jì)算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、安徽省量子計(jì)算工程研究中心消息，我國(guó)最新的自主可控超導(dǎo)量子芯片——“悟空芯”（夸父 KF C72-300）發(fā)布。

據(jù)悉，該量子芯片已在近期發(fā)布的中國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)量子疊加和糾纏等特性。該量子芯片的發(fā)布標(biāo)志中國(guó)自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造能力從小規(guī)模開(kāi)始進(jìn)入中等規(guī)模階段。

“悟空芯”擁有72個(gè)超導(dǎo)量子比特，取名來(lái)源于孫悟空的“72變”，寓意著其強(qiáng)大計(jì)算能力及潛力，搭載該款量子芯片的量子計(jì)算機(jī)具備通用可編程能力，用戶可使用它開(kāi)發(fā)量子計(jì)算應(yīng)用程序。

“悟空芯”是本源量子自主研發(fā)的夸父系列量子芯片，屬于第三代產(chǎn)品。第一代夸父6比特超導(dǎo)量子芯片KF C6-130在2020年研制成功。2021年，第二代夸父24比特超導(dǎo)量子芯片KF C24-100研制成功。

與前兩代量子芯片相比，第三代夸父超導(dǎo)量子芯片具有更高的相干時(shí)間，性能上有顯著提升。量子計(jì)算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任賈志龍博士介紹，“悟空芯”以及“本源悟空”量子計(jì)算機(jī)的發(fā)布，是中國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造的一張新“入場(chǎng)券”，意味著中國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造能力從小規(guī)模開(kāi)始進(jìn)入中等規(guī)模階段，具備了自主生產(chǎn)一定中等規(guī)模的可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)芯片和系統(tǒng)的能力。

“悟空芯”采用了72個(gè)計(jì)算量子比特的設(shè)計(jì)方案，還包含126個(gè)耦合器量子比特，共有198個(gè)量子比特，其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的比特弛豫時(shí)間T1≥15.3μs，退相干時(shí)間T2≥2.25μs。

安徽省量子計(jì)算工程研究中心副主任孔偉成博士表示，基于該款量子芯片的“本源悟空”量子計(jì)算機(jī)可一次性下發(fā)、執(zhí)行多達(dá)200個(gè)量子線路的計(jì)算任務(wù)，從而比只能同時(shí)下發(fā)、執(zhí)行單個(gè)量子線路的國(guó)際同類量子計(jì)算機(jī)，具有更大的速度優(yōu)勢(shì)。


量子芯片的意義

在當(dāng)今的高科技領(lǐng)域，芯片制造技術(shù)無(wú)疑是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力的重要體現(xiàn)。然而，由于多種原因，中國(guó)在先進(jìn)芯片制造技術(shù)上受到了很大的限制，其中光刻機(jī)的受限尤為突出。面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，中國(guó)科研人員將目光轉(zhuǎn)向了一種新興的芯片技術(shù)——量子芯片。那么，量子芯片能否成為中國(guó)在芯片領(lǐng)域的一個(gè)突破口，助中國(guó)打個(gè)翻身仗呢？

我們要明白什么是量子芯片。量子芯片與傳統(tǒng)芯片的最大區(qū)別在于其利用量子力學(xué)原理進(jìn)行信息處理。量子比特，而非傳統(tǒng)的二進(jìn)制位，是量子計(jì)算機(jī)的信息處理單元。這一革命性的技術(shù)有望在某些特定任務(wù)上超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，尤其是在大數(shù)據(jù)處理、加密和模擬等領(lǐng)域。

中國(guó)在量子芯片研究方面已經(jīng)取得了一系列重要的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)在量子通信、量子計(jì)算和量子芯片等領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究和開(kāi)發(fā)。通過(guò)不懈的努力，中國(guó)已經(jīng)成功研制出多款量子芯片，并在某些特定應(yīng)用場(chǎng)景中得到了驗(yàn)證。

量子芯片的商業(yè)化應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，量子芯片的制造需要極高的技術(shù)和工藝要求，尤其是對(duì)于量子比特的精確控制和穩(wěn)定性。其次，量子芯片的應(yīng)用場(chǎng)景目前還比較有限，主要集中在某些特定的領(lǐng)域，如密碼學(xué)和化學(xué)模擬等。此外，量子芯片的研發(fā)成本高昂，需要大量的資金和人力資源投入。

盡管如此，中國(guó)在量子芯片領(lǐng)域的研究和發(fā)展仍然具有重大的戰(zhàn)略意義。首先，量子芯片作為一種新興技術(shù)，有望在未來(lái)成為信息技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。通過(guò)在量子芯片領(lǐng)域的布局和投入，中國(guó)可以占據(jù)這一技術(shù)的前沿，掌握主動(dòng)權(quán)。其次，量子芯片的發(fā)展有助于推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，包括材料、設(shè)備、封裝測(cè)試等環(huán)節(jié)，從而帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展。此外，量子芯片還有望在國(guó)家安全、金融科技等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為國(guó)家的安全和發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。

兩大技術(shù)分支被業(yè)界看好

據(jù)了解，硅基量子比特芯片、離子阱量子比特芯片以及超導(dǎo)量子比特芯片等是目前量子芯片的主流研究方向。其中，硅基量子比特芯片以及超導(dǎo)量子比特芯片是目前最受關(guān)注的兩大技術(shù)分支，業(yè)內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)取得了成績(jī)。

硅基量子比特芯片是利用硅材料的特殊性質(zhì)，將單個(gè)電子嵌入硅晶格中，實(shí)現(xiàn)硅基量子比特的制備。這種技術(shù)在制造上的成本相對(duì)較低，且與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)有天然的銜接。

英特爾是硅基量子比特芯片的主要玩家之一，其技術(shù)發(fā)展主要集中在硅自旋量子比特上。據(jù)了解，英特爾在2023年6月發(fā)布了全新的量子芯片Tunnel Falls，這款芯片包含了12個(gè)硅自旋量子比特，在300毫米的硅晶圓上生產(chǎn)制造，每塊晶圓上能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)24000個(gè)量子點(diǎn)，從而形成可被相互隔離或同時(shí)操控的4到12個(gè)量子比特。業(yè)內(nèi)專家告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者，英特爾的量子芯片技術(shù)的特點(diǎn)在于利用其原本的生產(chǎn)線工藝，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成，并通過(guò)提高比特的操控溫度，從MK提升到K級(jí)，使得量子芯片的集成化加工更近一步。

超導(dǎo)量子比特芯片是量子芯片領(lǐng)域的另一個(gè)重要分支，其核心是利用超導(dǎo)材料的獨(dú)特性質(zhì)來(lái)提高量子比特的操作性能。超導(dǎo)量子芯片同樣可以看作量子芯片的一種演進(jìn)形式，通過(guò)引入超導(dǎo)技術(shù)，加強(qiáng)了量子比特的穩(wěn)定性和可控性，從而更好地適應(yīng)量子計(jì)算的需求。