下一個晶片界的扛把子，量子晶片？

2020-10-25 大好河山為你開

隨著矽基晶片進入10nm以下，越來越接近物理極限，摩爾規律即將在矽基晶片上失效。晶片的出路在何方？目前全球主要有兩種下一代晶片在研：碳基晶片和量子晶片。

2020年5月26日我國北大彭練矛和團隊宣布碳基晶片半導體製備材料取得關鍵性突破；8月25日中國科技大學潘建偉團隊的朱曉波教授對外宣布，中國科大今年預計可以實現60量子比特的超導量子系統，並且有望在5年後實現千個量子比特的系統。

如果說矽基晶片是馬車；

那碳基晶片就是汽車；

量子晶片既不是高鐵、也不是飛機，而是火箭！

所以，量子計算機，又被美國科學家賦予個新的稱號：「量子霸權」。

碳基晶片

碳基晶片相對傳統的矽基晶片成本更低、功耗更小、性能更佳。美國的麻省理工學院和中國的北京大學團隊作為碳基晶片研發的第一梯隊，都在今年取得了突破成果。

2020年6月1日，麻省理工學院（簡稱 MIT）電氣工程與計算機科學系助理教授馬克斯·舒拉克，帶領團隊發表了題為《在商用矽製造設施中製造碳納米管場效應電晶體》的論文。改進了一種將襯底浸沒在納米管溶液的沉積技術，從而讓工業設備製造碳管成為可能。可直接利用現有的矽基晶片產業鏈進行製備（如光刻機和EDA軟體），實現了碳基晶片製備工藝與現有矽基晶片的兼容，可以更快產業化，但MIT的碳基晶片製備技術，目前所取得的成績僅相當於30年前的矽基晶片性能，離真正的取代矽基晶片，還相差甚遠。

北大團隊開發大面積製備碳納米管排列工藝，性能超矽芯，但產業鏈形成還需時日

北大彭練矛團隊就開發了一種全新的提純和自組裝方法，可以製備出高密度、高純半導體陣列的碳納米管材料，在此基礎上還首次實現性能超越同等柵長矽基 CMOS 技術的電晶體和電路（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體的縮寫，是指製造大規模集成電路晶片所採用的一種技術或用這種技術製造出來的晶片，是電腦主板上的一塊可讀寫的並行或串行FLASH晶片），首次製備出性能超越同等柵長矽基CMOS技術的碳納米管陣列，純度高達99.9999%。

團隊成功製備出的5nm柵極碳納米管COMS器件，速度相當於兩倍英特爾最新商用矽電晶體，能耗卻只有其四分之一，展示出了10nm以下碳基晶片的巨大商用價值，性能遠超MIT的研究，但採用了全新的製備方式，因此整個產業鏈需要重建，商業化還需時日。

碳基技術在將來可以應用於國防科技、衛星導航、氣象監測、人工智慧、醫療器械等多重領域，如果我國能在碳基晶片的製備技術上走出自己的產業化之路，那未來晶片產業就不必受制於人，彎道超車，走上晶片製造的制高點也未可知。

實現「量子霸權」可以將人類直接帶入科學的下個維度，屆時計算機的能力將遠超人類自身。

但量子晶片領域離商業化還很遙遠，目前還需靠碳基晶片維持現有產業鏈的過渡。

量子晶片

碳基晶片只能說是在現有的晶片體系上繼續延續「摩爾規律」，由碳基晶片接棒矽基晶片，而量子晶片的出現，則超越了摩爾規律。

微軟曾公開表達過，其希望成為量子計算領域的領導者。在過去20幾年來也一直致力於量子計算的發展，每年投入大量的資金用於開發量子計算。據報導2018年6月開始，微軟陸續挖走了高通的工程師，為研發承受低溫的量子計算晶片招兵買馬，早些時候，微軟的量子計算機研究還從研究部門獨立。 2018年微軟全公司的研發費用達到147億美元，其中開發量子計算每年大概花費10億美元。近幾年，IBM、英特爾和谷歌等公司都在量子計算項目投入巨大。

量子計算機的原理

經典計算機的基本原理是利用二進位來進行計算。計算機利用電子管的開關狀態分別代表二進位的0和1，因此電子管數量越多（開關越多），則能代表的二進位數值越多，相應的計算能力就越強。目前電晶體已經進入了7nm級以下的時代，在指甲蓋大小的面積上可以分布數十億電晶體。量子計算這一概念是物理學費曼引入的，隨著當前半導體的小型化愈到極限，晶片的電路元件尺寸縮小到納米尺度時，量子力學效應會終結當前的摩爾規律。

在量子計算機中，由於量子處於疊加態，每個比特單位既可以是1，可以是0，也可以是1又是0，而傳統電晶體只能是0或1的狀態。通俗而言，按照量子論，物體從A能直接到達B且不經過A和B中的任何一個點，即物體在A點消失的同時在B點出現。薛丁格的貓是關於量子理論的一個理想實驗，在揭開蓋子前，我們永遠也不確定貓的死活，它將永遠處於非死非活的疊加態。

傳統經典計算機一個比特只能代表一個狀態，而量子計算機的一個比特可以是2^N個數，隨著數量的增加，其存儲能力呈指數級上升，例如一個250量子比特的存儲器（由250個原子構成）可能存儲的數值達2^250，比宇宙中已知的全部原子數目還多。

  • 2017年5月，中國科學技術大學潘建偉教授宣布：研究團隊在2016年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質量子點單光子源構建了世界首臺超越早期經典計算機的單光子量子計算機；
  • 2018年12月，在中國合肥誕生首款量子計算機控制系統OriginQ Quantum AIO；
  • 2019年1月，IBM拉斯維加斯國際消費電子展上首次公開了世界上第一臺集成量子計算系統：IBM Q System One，將全球最先進的科學技術集成到一個9英尺的玻璃立方體內，目前這類量子計算機仍僅分散地存在於研究實驗室內。IBM的客戶可以通過付費在公司的設備上運行量子計算機，來處理他們的內部計算。
  • 2019年9月谷歌以53個量子比特，讓量子系統花費約200秒完成傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務，表示成功實現了「量子霸權」。
  • 2020年8月28日，谷歌成功用12個量子比特模擬了二氮烯的異構化反應。這意味著用計算機的計算能力，可以還原化學反應，創造一個完全數位化的複雜世界。
  • 2020年8月25日，中國科技大學潘建偉團隊的朱曉波教授對外宣布，中國科大今年預計可以實現60量子比特的超導量子系統，並且有望在5年後實現千個量子比特的系統。
  • 2020年9月21號，紫光國微造出全球第一片超級量子5G晶片，作為清華大學旗下科研企業第二次突破量子空間限制，打造出更安全的國產晶片
  • 未來10年期的目標，即一百萬比特量子計算機，保真度99.8%，和谷歌相同。

量子計算機的開發條件非常苛刻，通常必須將其冷卻到極低的溫度，以避免其存儲和處理數據的基本結構(量子比特)受到不必要的幹擾。在處理普通計算機無法處理的計算方面很有用。目前，這些機器都是高度定製的機器，幾乎沒有人知道如何編程，而且在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了，要看到量子計算的回報還需時日，正如Bennett教授所說，」現在的量子計算機只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是5年，10年，甚至是50年以後」。

著名科幻作家麥可·克萊頓，在科幻小說《時間線》中曾嘗試用文學的筆調來想像量子計算的神奇。雖然小說中有些說法也並不科學，但克萊頓預言的量子"並行計算"的強大潛力和美好前景如今正在現實世界中一步步得到印證。感興趣的小夥伴們可以去看看哦~

2019年，日本發布《從全球專利地圖看量子技術2.0》，該報告統計了目前量子技術2.0專利的現狀。其中一共涉及的專利數量是4088件，中國擁有的專利為1387件、其次是美國的921件，然後是日本的657件，剩下主要是歐洲國家。從專利數量上來看，中國已經甩開歐美日等技術強國一大截。

量子計算最本質的特徵為量子疊加性和量子相干性，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干，迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機，但各個實驗室都仍在努力中。於現狀而言，中國大有可能在量子晶片上有所發揮，實現晶片自由。

至於量子黑科技何時能真正的從理論走向現實，敬請期待~

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