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量子芯片可以不用光刻機了嗎？中美標準之爭再次打響

點擊：  作者：東城觀星    來源：今日頭條  發布時間:2021-03-10 10:27:37

 

量子計算時代快來了，量子芯片的生產需要用光刻機嗎？中國的量子計算機和美國的量子計算機，誰能主導未來的量子計算世界？我是東城觀星，今天我們繼續復盤中國芯片的探索之路。

 

 

一、量子計算機要來了？

 

2020年，量子計算機一不小心闖進了普通老百姓的視野里。因為中國的量子計算機超過了美國的量子計算機，并且展示出了一項遠遠超過世界最強超級計算機的能力，也就是量子霸權或者說量子優越性。但是，這并不能說明中國的量子計算水平超過了美國，占領了量子計算機的市場，實現了彎道超車。

 

其實，量子計算是一個新興的科技領域，全世界都在探索的路上，目前還沒有形成成熟的工業標準。而且，量子計算機的硬件平臺方案有很多種，目前探索比較多的有超導量子計算、光量子計算、拓撲量子計算、核磁、冷原子、離子阱等方案。

 

這其中，美國最牛的懸鈴木量子計算機采用超導量子計算方案，中國最牛的九章量子計算機采用光量子計算方案。世界其他國家也有很多研究成果，但從實踐來說，中國和美國比較領先。目前只有中美兩個國家的量子計算機實現了量子霸權，也就是在計算特定問題時，超過了世界上最快的超級計算機。

 

二、中國最大的機遇就是盡快搶占量子計算機的標準制定權

 

但是，不管是懸鈴木還是九章量子計算機，跟最終理想的通用量子計算機比起來，就像小孩玩的計算器和超級計算機的差距一樣大。也就是說，現在的量子計算機，正處在萌芽階段。現在是個偉大的機遇期，能否把握好機遇，最終占據產業鏈的頂端，關鍵看能不能在標準制定的過程中占據主導地位。

 

舉個大家都熟悉的例子。無線通訊領域，最早的移動電話，是兩個人抱著的大家伙，一個人抱機子，一個人打電話，那是現在手機的鼻祖（對應于這個大家伙，現在的懸鈴木和九章量子計算機也是鼻祖級的量子計算機，遠沒有到商用的水平）。后來移動電話不斷改進，開始上市銷售，有了我們在老電影里見到的大哥大手機，這是1G手機，采用模擬信號，還沒有使用數字信號。

 

 

第二代手機也就是2G手機，開始采用數字信號，一共有兩個標準，一個是GSM，一個是CDMA。前兩代通訊標準，我們國家的企業只能跟著喝點湯，話語權很小，專利授權費卻一點不少交。第三代手機，也就是3G手機，中國標準開始入場，但TD-SCDMA標準只是一個被邊緣化的標準，沒有占領太多的市場，還是啃骨頭喝湯的地位。

 

后來4G時代，我們國家已經成了標準的主要發起者，5G時代已經成了標準制定的領頭羊。相反，美國在4G和5G領域被國際標準給邊緣化了，變得非常被動，于是開始下大力氣布局6G標準，準備跟中國在6G標準上展開爭奪戰。

 

通過這個例子，我們可以看出，能否在行業中占據主導地位，關鍵看是否在標準制定的過程中發揮了主導作用。現在量子計算機還處于萌芽狀態，很快就是標準制定的階段了。十多種不同原理的量子計算機類型，最終能在市場上占據領導地位的，也就兩三種，甚至很可能只有一種。其他類型最終會被市場的潮流給沖洗掉，停留在實驗室階段。

 

三、中美兩國的量子計算機方案

 

懸鈴木和九章分別代表兩種不同的量子計算機類型，也代表著中美兩國的主攻方向。不得不說，中美兩國的相關企業在未來若干年內，將會全力爭奪量子計算機的標準制定權，把自己的標準推廣到全世界。誰的勝算更大呢？現在不好說，可以說各有優缺點。

 

 

超導量子計算機

 

美國的企業顯然更喜歡超導量子計算機。因為超導量子計算機的芯片生產，最接近現在的普通芯片生產工藝，基本上在現有工藝上簡單改進就可以生產量子芯片了。也就是說，要是實現產業化的話，超導量子計算機會繼承一個很成熟的生產工藝，工藝開發成本最低。換一個角度說，超導量子計算機的生產離不開光刻機，甚至有可能需要最先進的極紫外光刻機才行。

 

當然，有優點，自然也有缺點。這個類型的量子計算機必須在非常低的溫度下工作，因為只有低溫才能實現超導，低溫下量子糾纏效應才夠穩定。現在的超導量子計算機都是在接近絕對零度的溫度下進行工作，溫度稍微升高一點都會影響計算結果。此外，超導量子計算機產生的量子糾纏效應維持的時間非常短，只有50微秒左右，超過這個時間信息就很容易丟失了。

 

超導量子計算機在工作的時候非常容易出錯，需要一套高效的糾錯方案。也就是說，超導量子芯片生產容易，但對工作環境要求極為嚴格，同時需要很多保障措施才行。這樣的設備，一般企業是養不起的。與其供著這么個爺爺，還不如買個普通超級計算機玩玩。不過事情也不是絕對的，也許通過大家的努力，尤其是高溫超導技術的應用，也可以突破限制。不管怎樣，這種量子計算機在世界范圍內研究力度都是比較大的。

 

 

九章量子計算機采用的光量子計算方案，相對于超導量子計算機來說，不太受國際企業待見。但也有得天獨厚的優勢：

 

首先，光子的量子糾纏效應幾乎沒有退相干的時間限制，在所有類型的量子計算機來說，光量子計算機這項性能是最優異的，其他計算機相干時間有幾秒就算是非常長了，很容易丟失信息。而光子幾乎不受外界環境的影響，不容易丟失量子信息。

 

其次，光量子計算機不需要泡在液氦里面，因為它在常溫下也能正常工作，對工作環境的要求要低很多。大家可能看到了中科大展示的九章量子計算機，就在一個普通的屋子里面敞口放置。完全不需要嚴格的工作環境。

 

 

當然，它也有缺點。因為光子之間很難產生相互作用，兩個光子就算碰到一起，也不會發生反應，所以怎樣讓光子進行計算是個難題，當然現在已經有了一些解決方案，有興趣的朋友可以自己去深入了解。

 

其次，就像我們看到的，九章量子計算機是一個比較宏觀的大家伙，現在只有76個量子位，就已經比餐桌還大了，將來做到成千上萬個量子位的通用量子計算機，那得多大呀？

 

此外，不管是光量子計算機、超導量子計算機，還是其他量子計算機，現在都無法做到成千上萬個量子位，短時間內也難以做到，但這卻是將來通用量子計算機必須要達到的水平。未來誰更占優勢，關鍵得看誰更容易實現超多量子位。

 

四、量子計算機需要用光刻機來生產嗎？

 

制作九章量子計算機，確實可以暫時不用光刻機。但是未來小型化和微型化是必然的趨勢，生產光量子芯片是個必經之路。但是光量子芯片相對于傳統芯片和超導量子芯片來說，不再是電子的天下而是光子的天下了。結構更復雜，生產更困難，需要設計很多微型光學元器件。

 

好在，現在已經有了制作光量子芯片的方案，很多單位也做出了成品。中國的很多大學在這方面都有成果。比如，北京大學的王劍威團隊已經做出了光量子芯片，另外國防科技大學也生產出了可以計算和編程的光量子計算機芯片。可以說，我國的光量子芯片技術已經突破了一系列難題，正在走向標準化的路上。

 

 

那么光量子芯片需不需要光刻機呢？我很想說，不需要，讓ASML一邊涼快去吧！但是，不用光刻機，用什么呢？微觀光路和零器件的制造，還是離不開光刻機的，還是那句老話，總不能用手盤他吧！由于光量子芯片跟傳統的芯片不一樣，需要設計更復雜的元器件，比如激光光源、濾波裝置、波導、量子態調控裝置和單光子檢測器等等。

 

這套復雜的系統就不能套用傳統芯片的生產工藝了，臺積電、三星這些代工廠的工藝積淀就不太好用了，需要研發新的工藝。同時，光量子芯片，暫時還做不到幾納米的尺度，基本在100納米左右，傳統的光刻機也就夠用了，無需最先進的極紫外光刻機。

 

因此，看看我國產業界能不能把握住這個契機，建設一套獨立的光量子芯片生產標準，不用在關鍵技術上被卡脖子。

 

五、中國能不能贏得量子計算機的標準之爭？

 

此外，我國除了在光量子計算機上處于世界領先地位以外，并沒有放棄其他類型量子計算機的研發和技術儲備。尤其是超導量子計算機，我國的水平也是比較靠前的。中科大和阿里巴巴公司就合作了中國第一臺云端服務的超導量子計算機。

 

現在中國的超導量子計算機水平也就是僅次于美國的公司。而跟光量子計算機相對應的光量子通訊技術，我國的產業化水平是全世界最高的，可以說是完全領先世界。這些跟潘建偉院士及其團隊的偉大貢獻是分不開的。

 

 

量子計算機，不僅硬件標準等待制定，是個巨大的機遇，操作系統和軟件的標準也在制定的過程中，我國剛剛發布了獨立自主的量子計算機操作系統，未來會繼續努力，在量子計算機領域的生態建設將占據主動地位，不會再像現在的電子計算機這樣被動了。而量子計算機一旦應用起來，將帶來計算領域的新革命。

 

有人提到，量子計算機不是通用計算機，永遠不可能替代超級計算機。這個理解是不正確的，眼下的量子計算機主要用來解決特定問題，沒有錯。但量子計算機的最終發展方向是通用量子計算機，可以像超級計算機一樣解決各種問題，甚至更有優勢。很多傳統計算機難以解決的計算難題，可以用量子計算機來解決，人工智能技術也可能有了全新的解決方案。

 

來源：今日頭條