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量子芯片可以不用光刻機(jī)了嗎？中美標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)再次打響

點(diǎn)擊：  作者：東城觀星    來(lái)源：今日頭條  發(fā)布時(shí)間:2021-03-10 10:27:37

 

量子計(jì)算時(shí)代快來(lái)了，量子芯片的生產(chǎn)需要用光刻機(jī)嗎？中國(guó)的量子計(jì)算機(jī)和美國(guó)的量子計(jì)算機(jī)，誰(shuí)能主導(dǎo)未來(lái)的量子計(jì)算世界？我是東城觀星，今天我們繼續(xù)復(fù)盤中國(guó)芯片的探索之路。

 

 

一、量子計(jì)算機(jī)要來(lái)了？

 

2020年，量子計(jì)算機(jī)一不小心闖進(jìn)了普通老百姓的視野里。因?yàn)橹袊?guó)的量子計(jì)算機(jī)超過(guò)了美國(guó)的量子計(jì)算機(jī)，并且展示出了一項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)世界最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力，也就是量子霸權(quán)或者說(shuō)量子優(yōu)越性。但是，這并不能說(shuō)明中國(guó)的量子計(jì)算水平超過(guò)了美國(guó)，占領(lǐng)了量子計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了彎道超車。

 

其實(shí)，量子計(jì)算是一個(gè)新興的科技領(lǐng)域，全世界都在探索的路上，目前還沒(méi)有形成成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而且，量子計(jì)算機(jī)的硬件平臺(tái)方案有很多種，目前探索比較多的有超導(dǎo)量子計(jì)算、光量子計(jì)算、拓?fù)淞孔佑?jì)算、核磁、冷原子、離子阱等方案。

 

這其中，美國(guó)最牛的懸鈴木量子計(jì)算機(jī)采用超導(dǎo)量子計(jì)算方案，中國(guó)最牛的九章量子計(jì)算機(jī)采用光量子計(jì)算方案。世界其他國(guó)家也有很多研究成果，但從實(shí)踐來(lái)說(shuō)，中國(guó)和美國(guó)比較領(lǐng)先。目前只有中美兩個(gè)國(guó)家的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，也就是在計(jì)算特定問(wèn)題時(shí)，超過(guò)了世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

 

二、中國(guó)最大的機(jī)遇就是盡快搶占量子計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)

 

但是，不管是懸鈴木還是九章量子計(jì)算機(jī)，跟最終理想的通用量子計(jì)算機(jī)比起來(lái)，就像小孩玩的計(jì)算器和超級(jí)計(jì)算機(jī)的差距一樣大。也就是說(shuō)，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)，正處在萌芽階段。現(xiàn)在是個(gè)偉大的機(jī)遇期，能否把握好機(jī)遇，最終占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，關(guān)鍵看能不能在標(biāo)準(zhǔn)制定的過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位。

 

舉個(gè)大家都熟悉的例子。無(wú)線通訊領(lǐng)域，最早的移動(dòng)電話，是兩個(gè)人抱著的大家伙，一個(gè)人抱機(jī)子，一個(gè)人打電話，那是現(xiàn)在手機(jī)的鼻祖（對(duì)應(yīng)于這個(gè)大家伙，現(xiàn)在的懸鈴木和九章量子計(jì)算機(jī)也是鼻祖級(jí)的量子計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)沒(méi)有到商用的水平）。后來(lái)移動(dòng)電話不斷改進(jìn)，開(kāi)始上市銷售，有了我們?cè)诶想娪袄镆?jiàn)到的大哥大手機(jī)，這是1G手機(jī)，采用模擬信號(hào)，還沒(méi)有使用數(shù)字信號(hào)。

 

 

第二代手機(jī)也就是2G手機(jī)，開(kāi)始采用數(shù)字信號(hào)，一共有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是GSM，一個(gè)是CDMA。前兩代通訊標(biāo)準(zhǔn)，我們國(guó)家的企業(yè)只能跟著喝點(diǎn)湯，話語(yǔ)權(quán)很小，專利授權(quán)費(fèi)卻一點(diǎn)不少交。第三代手機(jī)，也就是3G手機(jī)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始入場(chǎng)，但TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)被邊緣化的標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有占領(lǐng)太多的市場(chǎng)，還是啃骨頭喝湯的地位。

 

后來(lái)4G時(shí)代，我們國(guó)家已經(jīng)成了標(biāo)準(zhǔn)的主要發(fā)起者，5G時(shí)代已經(jīng)成了標(biāo)準(zhǔn)制定的領(lǐng)頭羊。相反，美國(guó)在4G和5G領(lǐng)域被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)給邊緣化了，變得非常被動(dòng)，于是開(kāi)始下大力氣布局6G標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)備跟中國(guó)在6G標(biāo)準(zhǔn)上展開(kāi)爭(zhēng)奪戰(zhàn)。

 

通過(guò)這個(gè)例子，我們可以看出，能否在行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，關(guān)鍵看是否在標(biāo)準(zhǔn)制定的過(guò)程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)還處于萌芽狀態(tài)，很快就是標(biāo)準(zhǔn)制定的階段了。十多種不同原理的量子計(jì)算機(jī)類型，最終能在市場(chǎng)上占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位的，也就兩三種，甚至很可能只有一種。其他類型最終會(huì)被市場(chǎng)的潮流給沖洗掉，停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

 

三、中美兩國(guó)的量子計(jì)算機(jī)方案

 

懸鈴木和九章分別代表兩種不同的量子計(jì)算機(jī)類型，也代表著中美兩國(guó)的主攻方向。不得不說(shuō)，中美兩國(guó)的相關(guān)企業(yè)在未來(lái)若干年內(nèi)，將會(huì)全力爭(zhēng)奪量子計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)，把自己的標(biāo)準(zhǔn)推廣到全世界。誰(shuí)的勝算更大呢？現(xiàn)在不好說(shuō)，可以說(shuō)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

 

 

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)

 

美國(guó)的企業(yè)顯然更喜歡超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。因?yàn)槌瑢?dǎo)量子計(jì)算機(jī)的芯片生產(chǎn)，最接近現(xiàn)在的普通芯片生產(chǎn)工藝，基本上在現(xiàn)有工藝上簡(jiǎn)單改進(jìn)就可以生產(chǎn)量子芯片了。也就是說(shuō)，要是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的話，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)會(huì)繼承一個(gè)很成熟的生產(chǎn)工藝，工藝開(kāi)發(fā)成本最低。換一個(gè)角度說(shuō)，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)離不開(kāi)光刻機(jī)，甚至有可能需要最先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)才行。

 

當(dāng)然，有優(yōu)點(diǎn)，自然也有缺點(diǎn)。這個(gè)類型的量子計(jì)算機(jī)必須在非常低的溫度下工作，因?yàn)橹挥械蜏夭拍軐?shí)現(xiàn)超導(dǎo)，低溫下量子糾纏效應(yīng)才夠穩(wěn)定。現(xiàn)在的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)都是在接近絕對(duì)零度的溫度下進(jìn)行工作，溫度稍微升高一點(diǎn)都會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。此外，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的量子糾纏效應(yīng)維持的時(shí)間非常短，只有50微秒左右，超過(guò)這個(gè)時(shí)間信息就很容易丟失了。

 

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)在工作的時(shí)候非常容易出錯(cuò)，需要一套高效的糾錯(cuò)方案。也就是說(shuō)，超導(dǎo)量子芯片生產(chǎn)容易，但對(duì)工作環(huán)境要求極為嚴(yán)格，同時(shí)需要很多保障措施才行。這樣的設(shè)備，一般企業(yè)是養(yǎng)不起的。與其供著這么個(gè)爺爺，還不如買個(gè)普通超級(jí)計(jì)算機(jī)玩玩。不過(guò)事情也不是絕對(duì)的，也許通過(guò)大家的努力，尤其是高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，也可以突破限制。不管怎樣，這種量子計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)研究力度都是比較大的。

 

 

九章量子計(jì)算機(jī)采用的光量子計(jì)算方案，相對(duì)于超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，不太受國(guó)際企業(yè)待見(jiàn)。但也有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：

 

首先，光子的量子糾纏效應(yīng)幾乎沒(méi)有退相干的時(shí)間限制，在所有類型的量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，光量子計(jì)算機(jī)這項(xiàng)性能是最優(yōu)異的，其他計(jì)算機(jī)相干時(shí)間有幾秒就算是非常長(zhǎng)了，很容易丟失信息。而光子幾乎不受外界環(huán)境的影響，不容易丟失量子信息。

 

其次，光量子計(jì)算機(jī)不需要泡在液氦里面，因?yàn)樗诔叵乱材苷９ぷ鳎瑢?duì)工作環(huán)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(jì)算機(jī)，就在一個(gè)普通的屋子里面敞口放置。完全不需要嚴(yán)格的工作環(huán)境。

 

 

當(dāng)然，它也有缺點(diǎn)。因?yàn)楣庾又g很難產(chǎn)生相互作用，兩個(gè)光子就算碰到一起，也不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，所以怎樣讓光子進(jìn)行計(jì)算是個(gè)難題，當(dāng)然現(xiàn)在已經(jīng)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(jì)算機(jī)是一個(gè)比較宏觀的大家伙，現(xiàn)在只有76個(gè)量子位，就已經(jīng)比餐桌還大了，將來(lái)做到成千上萬(wàn)個(gè)量子位的通用量子計(jì)算機(jī)，那得多大呀？

 

此外，不管是光量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，還是其他量子計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在都無(wú)法做到成千上萬(wàn)個(gè)量子位，短時(shí)間內(nèi)也難以做到，但這卻是將來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)必須要達(dá)到的水平。未來(lái)誰(shuí)更占優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵得看誰(shuí)更容易實(shí)現(xiàn)超多量子位。

 

四、量子計(jì)算機(jī)需要用光刻機(jī)來(lái)生產(chǎn)嗎？

 

制作九章量子計(jì)算機(jī)，確實(shí)可以暫時(shí)不用光刻機(jī)。但是未來(lái)小型化和微型化是必然的趨勢(shì)，生產(chǎn)光量子芯片是個(gè)必經(jīng)之路。但是光量子芯片相對(duì)于傳統(tǒng)芯片和超導(dǎo)量子芯片來(lái)說(shuō)，不再是電子的天下而是光子的天下了。結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，生產(chǎn)更困難，需要設(shè)計(jì)很多微型光學(xué)元器件。

 

好在，現(xiàn)在已經(jīng)有了制作光量子芯片的方案，很多單位也做出了成品。中國(guó)的很多大學(xué)在這方面都有成果。比如，北京大學(xué)的王劍威團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做出了光量子芯片，另外國(guó)防科技大學(xué)也生產(chǎn)出了可以計(jì)算和編程的光量子計(jì)算機(jī)芯片。可以說(shuō)，我國(guó)的光量子芯片技術(shù)已經(jīng)突破了一系列難題，正在走向標(biāo)準(zhǔn)化的路上。

 

 

那么光量子芯片需不需要光刻機(jī)呢？我很想說(shuō)，不需要，讓ASML一邊涼快去吧！但是，不用光刻機(jī)，用什么呢？微觀光路和零器件的制造，還是離不開(kāi)光刻機(jī)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(tǒng)的芯片不一樣，需要設(shè)計(jì)更復(fù)雜的元器件，比如激光光源、濾波裝置、波導(dǎo)、量子態(tài)調(diào)控裝置和單光子檢測(cè)器等等。

 

這套復(fù)雜的系統(tǒng)就不能套用傳統(tǒng)芯片的生產(chǎn)工藝了，臺(tái)積電、三星這些代工廠的工藝積淀就不太好用了，需要研發(fā)新的工藝。同時(shí)，光量子芯片，暫時(shí)還做不到幾納米的尺度，基本在100納米左右，傳統(tǒng)的光刻機(jī)也就夠用了，無(wú)需最先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)。

 

因此，看看我國(guó)產(chǎn)業(yè)界能不能把握住這個(gè)契機(jī)，建設(shè)一套獨(dú)立的光量子芯片生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，不用在關(guān)鍵技術(shù)上被卡脖子。

 

五、中國(guó)能不能贏得量子計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)？

 

此外，我國(guó)除了在光量子計(jì)算機(jī)上處于世界領(lǐng)先地位以外，并沒(méi)有放棄其他類型量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)和技術(shù)儲(chǔ)備。尤其是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，我國(guó)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(guó)第一臺(tái)云端服務(wù)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

 

現(xiàn)在中國(guó)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)水平也就是僅次于美國(guó)的公司。而跟光量子計(jì)算機(jī)相對(duì)應(yīng)的光量子通訊技術(shù)，我國(guó)的產(chǎn)業(yè)化水平是全世界最高的，可以說(shuō)是完全領(lǐng)先世界。這些跟潘建偉院士及其團(tuán)隊(duì)的偉大貢獻(xiàn)是分不開(kāi)的。

 

 

量子計(jì)算機(jī)，不僅硬件標(biāo)準(zhǔn)等待制定，是個(gè)巨大的機(jī)遇，操作系統(tǒng)和軟件的標(biāo)準(zhǔn)也在制定的過(guò)程中，我國(guó)剛剛發(fā)布了獨(dú)立自主的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，未來(lái)會(huì)繼續(xù)努力，在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的生態(tài)建設(shè)將占據(jù)主動(dòng)地位，不會(huì)再像現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)這樣被動(dòng)了。而量子計(jì)算機(jī)一旦應(yīng)用起來(lái)，將帶來(lái)計(jì)算領(lǐng)域的新革命。

 

有人提到，量子計(jì)算機(jī)不是通用計(jì)算機(jī)，永遠(yuǎn)不可能替代超級(jí)計(jì)算機(jī)。這個(gè)理解是不正確的，眼下的量子計(jì)算機(jī)主要用來(lái)解決特定問(wèn)題，沒(méi)有錯(cuò)。但量子計(jì)算機(jī)的最終發(fā)展方向是通用量子計(jì)算機(jī)，可以像超級(jí)計(jì)算機(jī)一樣解決各種問(wèn)題，甚至更有優(yōu)勢(shì)。很多傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的計(jì)算難題，可以用量子計(jì)算機(jī)來(lái)解決，人工智能技術(shù)也可能有了全新的解決方案。

 

來(lái)源：今日頭條