「芯視野」量子計算晶片與傳統晶片有何不同？

集微網報導 量子計算同量子通信、量子測量共同被認為是量子科技的重要方向。相比於如今火熱的量子通信，神秘的量子測量，量子計算憑藉計算能力上所具有的想像空間，近年來，成為全球主要國家爭相布局的前沿科技領域。

量子晶片作為量子計算機最核心的部分，是執行量子計算和量子信息處理的硬體裝置。但由於量子計算遵循量子力學的規律和屬性，傳統的經典集成電路晶片而言，量子晶片在材料、工藝、設計、製造、封測等方面的要求和實現路徑上都存在一定差異。

兩種主流實現方式

經典集成電路晶片通過一個個電晶體構建經典比特，二進位信息單元即經典比特，基於半導體製造工藝，採用矽、砷化鎵、鍺等半導體作為材料。

而量子晶片採用2個量子狀態來疊加及糾纏，用以執行以量子比特為基礎的運算，因此只要物質的物理性質具有兩個易於操作的量子態，都有可能成為量子比特的製作基礎，類似經典集成電路晶片中高低電平代表的「1」與「0」。

根據構建量子比特所採用的不同物理體系，量子比特在物理實現方式上包括超導量子電路、半導體量子點、離子阱、金剛石空位、拓撲量子、光子等。

開發與現代半導體工藝兼容的電控量子晶片是量子計算機研製的重要方向之一，半導體量子點和超導量子電路技術被視為最有可能實現大規模集成量子信息處理器的物理方案。

經典集成電路晶片包括數字和模擬晶片，量子晶片可以視為一種模擬晶片，主要採用的製程在100nm左右，但與經典集成電路晶片最大的不同在於製造的工藝與材料不同。

其中，超導量子晶片利用約瑟夫森結構成的超導電路來實現二能級系統，主流材料是鋁，通過在鋁膜上刻蝕電路形狀，用微波信號實現對其控制。半導體量子晶片是在傳統的半導體微電子製造工藝基礎上，尋找到能夠實現控制的電子，通過控制電子的多個自由度實現二能級系統。

半導體量子晶片可以很好地結合和利用現代成熟的半導體微電子製造工藝，通過純電控的方式製備、操控與讀取量子比特更具靈活性。與現代大規模集成電路類似，半導體量子晶片具有良好的可擴展、可集成特性，被認為是未來實現大規模實用化量子計算的最佳候選體系之一。

超導量子晶片具有如下優勢： 一是操作數大，超導量子比特相干時間長，操作速度快，保真度高，總體能夠實現上千次操作。 二是工藝成熟，相對其他固態量子晶片體系，超導量子比特受材料缺陷的影響更小，利用成熟的納米加工技術，可以實現大批量生產。 三是可擴展性好，超導量子比特結構簡單，調控方便，極易擴展。

目前，全球領先的量子計算技術主要掌握在美國、澳大利亞、日本和中國等高校和企業手中。谷歌和IBM都推出了超導量子晶片，英特爾、澳大利亞新南威爾斯大學和荷蘭代爾夫特大學推出了半導體量子晶片。

夸父 KF C6-130

我國量子計算領軍企業本源量子目前開發出第一代半導體2比特量子處理器玄微 XW B2-100、第一代超導6比特夸父量子處理器KF C6-130。

矽材料純度要求更高

傳統集成電路晶片主要指經典計算機的矽基半導體晶片，它基於半導體製造工藝，採用矽、砷化鎵、鍺等半導體材料。

實現對於量子晶片中的量子比特的精確控制，對環境要求苛刻，不僅要超低溫，還要「超潔淨」，極其微弱的噪聲、振動、電磁波和微小雜質顆粒都會擾亂信號，這對於量子晶片的材料和設計提出了更高的要求。

據本源量子副總裁趙勇傑介紹，在矽材料純度上，相較於經典晶片而言，量子晶片的要求更高。比如常規矽片中含有大量的矽28和少量的矽29同位素，由於矽29的核自旋可以影響矽基半導體量子晶片中電子的自旋，因此在半導體量子晶片應用中需要在矽材料提純矽28，去除其中的矽29。

電磁場對於半導體以及超導量子比特的幹擾也較大，雖然傳統晶片設計中也要考慮電磁場的相互影響，但在量子晶片的設計中會考慮得更加精細。

此外，即使是工作溫度比較高的矽基半導體量子晶片，目前工作的溫度最高也要到1.5k，也就是零下272.5度，這樣的工作環境下，傳統集成電路的很多因素就會受到影響，比如開關電壓不同等。

因此，量子晶片迫切需要發展超導電子學技術和低溫電子學技術。因為當晶片集成比特數達到數千個以後，按照現有的模式，用室溫電子學控制設備控制每一個比特幾乎不可能實現，需要將比特的控制部分和量子晶片集成，能夠達到這個目標的唯一技術是超導電子學。目前超導電子學技術還處在非常基礎的階段，實際應用非常少，如何與量子晶片集成更是有待研究的全新課題。

與此同時，為了實現低溫環境，還需要配置大功率極低溫制冷機。超導量子晶片只能在10mK左右的極低溫（約零下273.14度）下才能工作，而且還要求提供足夠的製冷功率，目前能做到的只有稀釋制冷機。當前的稀釋制冷機技術僅能做到滿足數百個比特的需求，支持更大規模的量子晶片的技術仍是一個待研究的課題，目前國內的稀釋制冷機主要都是通過進口獲得。

獨特的設計、製造和封裝

同傳統集成電路晶片設計類似，量子晶片的設計也需要依靠設計和仿真軟體。但由於同半導體晶片電路特性不同，量子晶片電路原理和結構設計遵循完全不同的邏輯，不可能直接使用現有的半導體晶片設計或仿真軟體，需要重新開發。

「目前市場上並沒有成熟的量子晶片EDA軟體，我們自主研發的量子晶片EDA工具，是在傳統設計和仿真的基礎上進行了功能的升級，並且包含自研的量子晶片核心仿真程序。通過現有經驗和數據工具，進行結構和參數指標方面的設計。此外，比如針對超導量子晶片，也包含了微波電路的一些技術，很多結構可以用微波仿真軟體來模擬特性，為量子晶片的設計提供指導依據。」趙勇傑說。

在製造方面，量子晶片的生產製造過程本身具有的複雜的系統工程屬性以及需要非常專業化知識體系，決定了無法如通過設計好的EDA製作參數以及自動化工具，藉助現有的代工資源去完成生產製作，其生產製造的每個環節，都需要專業化程度較高的特定工程師逐步調試工藝參數。

在封裝環節，也需要在傳統封裝技術的基礎上，通過技術工具實現對於量子晶片的封裝。一方面要求能夠在封裝後，大幅度抑制信號洩露並進行噪聲隔離，同時要具有高效的集成性，高效的散熱性能，提供磁場屏蔽保護與紅外輻射屏蔽保護等特性。另一方面，比如對於超導量子晶片而言，在封裝中，最重要的環節是要將其中的控制通道，通過微波線纜引出，保證低溫狀態下能夠有效將量子晶片冷卻到較低的溫度。

由於專業性較高，技術複雜，目前推出量子晶片的企業基本上都是採用IDM的方式，晶片製備需要專門的工藝和設備產線。相關產品在研發周期，設備和資金投入方面也較傳統模擬晶片投入較大。僅實驗室用的測試設備就在數千萬元的價格，而製造用的納米加工設備產線，則需要數億元的投入。

艱難的追趕階段

如上文所述，量子計算的研製屬於巨型系統工程，涉及眾多產業基礎和工程實現環節。我國在高品質材料、工藝結構、製冷設備和測控系統等領域仍落後於領先國家，在一些關鍵環節甚至面臨著受制於人的風險。同時，量子計算的實際應用場景仍需要更廣泛持續地探索。

我國的量子計算研究起步晚於歐美先進國家，且主要以科研為導向，研究主體集中在各個高校與科研院所。雖然在一些細分領域取得了科研上的突破，但在量子計算整體的工程化實現與製造工藝層面與國際先進水平具有明顯差距。

業內專家指出，量子計算需要克服環境噪聲、比特錯誤和實現可容錯的普適量子糾錯等一系列難題，真正量子計算機研發挑戰巨大。

趙勇傑表示，在量子計算晶片方面，中國同國際領先水平還有三四年的差距。

「歐美廠商進展非常快，如何能夠保持持續追趕的勢頭是關鍵，中國的量子計算晶片的產業化發展還處於艱難的追趕階段，如果跟不上，差距將會越拉越大。」趙勇傑說。

另有行業人士表示，量子計算除了工程化方面的諸多挑戰之外，量子計算系統在高性能FPGA、高速ADC以及量子計算控制系統等、低溫設備製冷劑等核心器件和材料等方面，仍然依靠進口，也存在不少「卡脖子」環節。

「並不能因為實驗室發表了幾篇世界領先的研究成果就盲目樂觀，我國的量子計算還有很長的路要走。」該人士坦言。（校對/Humphrey）