芯片前沿技术瞭望6：量子芯片与量子计算技术

量子计算和量子计算机的概念是由美国物理学家保罗•贝尼奥夫（Paul Benioff）和理查德•费曼（Richard Feynman）在上世纪80年代初提出的。量子计算机利用量子力学原理，可实现量子位的高密度数据表达，可实现这种数据表达的超高速并行运算，量子计算对传统超级计算机运算速度的超越不是数十倍、数百倍，而是数亿倍以上的提升。这些优点吸引着全球众多科学家聚焦在量子计算的科技前沿，也吸引着许多国家和地区积极布局该领域的研究，试图在未来量子计算时代占据有利位置，争取所谓的“量子霸权 ”，许多跨国公司很早就在这个前沿领域深耕细作了，近年不断有科技成果推出。

1.什么是量子计算？

量子计算的核心是量子比特，也称为量子位（qubit）。普通计算机中的2个数据位（bit）在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2个量子位可同时存储这四种状态的叠加状态，量子位可以同时处于多个状态之间的状态称为量子叠加态，如图8-16所示。同理，3个数据位只能存储8个进制数（000、001、…、111）中的一个，而3个量子位可同时存储这8个数。经典比特和量子比特表达的信息的比较如图1所示。

另外，两个量子比特之间还存在着一种特殊的关联，通过对一个量子比特的操作可以立刻影响到另一个量子比特的状态，这种现象称为量子纠缠。

图1 经典比特和量子比特表达的信息的比较示意图

量子叠加态和量子纠缠是实现量子计算的理论基础。通过量子叠加态和量子纠缠，量子计算机可以在相同的时间内沿着多种计算路径同时处理多个任务，这对许多诸如决策分析、机器学习、棋类对弈等需要同事处理多个任务的应用十分有利。而传统计算机的处理方式是一个任务，一条任务地串行处理。它们之间的对比如图2所示。所以，量子计算的速度非常快，它可以实现更高效、更高速的信息传输和并行数据处理。

图2 传统计算机单路径计算与量子计算机多路径计算的比较示意图

在执行特定任务的时候，量子计算机比传统超级计算机要快很多。例如，IBM深蓝国际象棋电脑一秒钟可以计算出2亿步棋的可能走法，而一台量子计算机每秒钟可以轻松计算10万亿步的棋路。要证明随机数生成器生成数字的随机性，如果用世界上最快的传统超级计算机需要1万年的时间，但量子计算机只需要3分钟多一点的时间。

量子计算已表现出了无与伦比能力，但实现它的难度是很高的，亟待科学家研究和破解的难点很多。首先是量子比特的稳定性和噪声干扰问题，量子比特的脆弱性、易受外部干扰、容易出现故障大大增加了发展量子计算的难度；其次是量子比特的状态控制和信息读取难度很大，量子比特的操作和读取需要非常精确的控制和测量；其三是实现量子信息纠错的难度很大；其四是扩展量子比特数量的难度会随着比特数增加变得越来越难；最后是量子计算软件开发和验证非常复杂，难于进行系统集成等。

2.量子计算研究的技术路线

目前，研究量子计算的技术路线很多，例如超导量子、光量子、离子阱、金刚石NV色心、核磁共振、半导体量子点、二维电子气、冷原子等。如果把研究量子技术的国家、地区和跨国公司看作是量子技术竞赛的运动员，上述量子技术的路线就是不同的赛道，其中超导量子计算的赛道上的运动员最多，取得的技术成果、发表的研究论文也最多。谷歌公司、IBM公司、英特尔公司等都选择了超导技术路线。

中国科学技术大学（简称中科大）与中科院量子信息与量子科技创新研究院等单位合作开发的“祖冲之”系列量子计算机采用了超导量子计算的技术路线。中科大与中科院上海微系统所等单位合作开发的“九章”系列量子计算机是采用光量子计算的技术路线。

2021年，中科大潘建伟院士和陆朝阳教授团队成功研制了113光子的可相位编程的“九章二号”和56量子比特的“祖冲之二号”量子计算原型机，这些成就使中国成为唯一在光学和超导两种技术路线都达到了“量子计算优越性 ”的国家。2023年10月11日，该团队宣布成功构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”，它刷新了光量子计算的世界纪录。光量子计算技术发展历史如图3所示，中国在光量子计算领域走在世界前列。

图3 光量子计算技术发展历史

中科大潘建伟院士和陆朝阳教授是我国量子计算机领域研究团队的领军人物，中国是全球光量子计算和超导量子计算研究和发展路线上的领跑者。

3.量子芯片是什么样的？

量子芯片（Quantum Chip）是量子计算机的核心部件，它类似于传统计算机中的中央处理器（CPU），它将量子比特和量子线路集成在基片上，完成量子信息传输、存储和处理等功能。量子计算发展的技术路线很多，有些技术路线可以借助传统芯片的制造工艺和设备来制造量子芯片，例如超导量子芯片、半导体量子点芯片等，而有些技术路线还很难实现量子计算系统核心部件的集成，例如光量子技术路线。并且，量子芯片与传统芯片相比，内部和外部结构、集成度和用法上都有很大差异。

图4是几款早期的量子芯片的样貌，通过它们，我们可以对量子芯片有一些感性认识。其中，左图是IBM公司的一个16个量子比特的量子处理器，它用于装备IBM公用的量子计算平台，吸引探索者开展量子计算研究。中图是谷歌公司的一款22个量子比特的量子计算芯片，它设计成了对称的两排结构。右图是Intel公司的49个量子比特的量子计算芯片。目前，量子芯片的发展还处在结构不同、其貌各异、百花齐放的探索阶段。

图4 几款早期的量子芯片的样貌

传统CPU的基本单元是晶体管，晶体管组成各种逻辑门，逻辑门再组成寄存器、存储器和运算单元等。逻辑门是实在的，经典比特则是虚的，它是由高低脉冲来表示比特的1和0这两个状态。断电后经典比特状态就不复存在。所以，经典比特和逻辑门是传统CPU芯片的虚、实两部分的结合。

量子芯片的基本部件是量子比特，它实实在在的制作在量子芯片上，逻辑门反而是虚的，它并不存在于量子芯片上，逻辑门是通过发射不同的射频脉冲来实现。脉冲信号通过射频控制线送到对应的量子比特。所以，逻辑门和量子比特是量子芯片的虚、实两部分的结合。

另外，当量子计算结束后，需要一个读出部件来读出运算结果，这个部件称为“谐振腔”。因此，量子芯片一般包含三种部件，它们是量子比特、射频线和谐振腔。图5是IBM公司2022年11月发布具有433个量子比特的量子芯片鱼鹰（Osprey）的多层结构示意图。所有量子比特集成在量子比特层（Qubit），谐振腔层集成在读出层（Readout），射频线安排在连线层（Wiring）。该芯片采用了倒装芯片封装（FC ）和硅通孔（TSV ）互连工艺使上中下三层和芯片底部连接在一起。

图5 IBM公司的量子芯片的多层结构示意图

图6是一台超导量子计算机和几款超导量子芯片的展示图，左图是一台11量子比特的超导量子计算机的结构展示图，芯片安装在框架的底部，整个框架安装在稀释制冷机内部，保证芯片能工作在低温超导状态。中图是谷歌公司的54位量子比特的超导量子计算机芯片，其上是芯片上量子比特和耦合比特的排列图。右图是我国研制的“祖冲子二号”量子计算机处理器芯片的示意图，其上是芯片中量子比特和耦合比特的分布及结构图。

图6 超导量子计算机和几款超导量子芯片的展示图

国内已开通了量子芯片生产线，它是由合肥市本源量子计算科技有限责任公司与晶合集成电路股份有限公司合作建设，提供从芯片设计到封装测试全链条服务。该产线已布局了超导量子技术与半导体量子点量子芯片技术，已推出了6比特超导量子芯片（夸父KF C6-130）、24比特超导量子芯片（夸父KF C24-100，参见图7）、硅基自旋2比特量子芯片（玄微XW S2-200）等产品。

图7 夸父KF C24-100芯片的设计图（左）和实物图（右）

目前条件下，科学家还无法制造集成化的光量子芯片。研究成果卓著的中科大“九章三号”光量子计算原型机是由众多光学元器件、仪器和部件构成的复杂系统，它本质上是一套复杂的光路系统，如图8所示。其中，最为核心的部件是20cm x 20cm大小的100模式相位稳定干涉仪。目前，要集成这些光路系统还不太可能，它有待于光路集成技术的发展和成熟。

图8“九章三号”光量子计算机的装置图

4.近年国内外量子计算的研究进展

2019年10月，谷歌（Google）公司宣布采用一台54个量子比特的谷歌超导量子计算机，实现了传统架构计算机无法完成的任务。这项任务用传统的超级计算机估计需要计算1万年，而用谷歌超导量子计算机只需用200秒，谷歌用超导技术路线实现了“量子计算优越性”。

2020年5月22日至今，华为公司已公布了8项在超导量子芯片方面的专利，包括“一种超导芯片中量子比特的控制方法及其相关设备”、“超导量子计算系统和量子比特操控方法”、“一种量子芯片和量子计算机”、“超导量子比特控制装置”、“超导量子芯片”、“一种耦合器、超导量子芯片及超导量子芯片控制方法”等。华为公司不仅在传统芯片的设计和制造，而且在量子计算领域也有布局和深入研究，并结出了丰硕成果。

2021年5月，潘建伟院士团队在“祖冲之一号”的基础上，采用全新的倒装芯片3D封装工艺，解决了大规模量子比特集成问题，成功研制了可编程的“祖冲之二号”超导量子计算机和处理器芯片。该芯片实现了66个量子比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，它的最大态空间维度达到了109。

2021年10月25日，潘建伟院士团队在物理学期刊《物理评论快报》上报告了两项关于量子计算的新进展。一项是关于66比特的可编程的超导量子计算原型机“祖冲之二号” ，研究人员通过操控这56个量子比特，在随机线路采样任务上实现了“量子计算优越性”。另一项是关于升级版的光量子计算原型机“九章三号”，对于高斯玻色采样问题，“九章三号”具有了部分可编程的能力，该原型机一分钟内完成的任务用世界上最强大的超级计算机需要花费一亿年时间才能完成。

2021年10月，中科大潘建伟院士、朱晓波、彭承志等组成的研发团队与中科院上海技术物理所合作，构建了66个量子比特的可编程的超导量子计算原型机“祖冲之二号”，它实现了对量子随机线路取样任务的快速求解，速度比当时最快的传统超级计算机快7个数量级。

2021年11月15日，IBM公司推出了鹰（Eagle）超导量子处理器芯片，由它可制造出当时世界上信息量最大的超导量子计算机，Eagle量子计算处理器串联了127个量子比特，成为了当时世界上正在研发的性能最强的超导量子计算机。

2022年1月，本源量子计算科技有限责任公司与晶合集成电路股份有限公司合作成立了“量子芯片联合实验室”，合作建设了我国首条量子芯片生产线，从事超导和硅基半导体量子计算芯片的研发和生产。 

2022年11月9日，在IBM年度量子峰会上，IBM公司推出了具有433个量子比特的鱼鹰（Osprey）量子处理器芯片，它比前一代鹰（Eagle）量子处理器127量子比特提升了近三倍半。图9是近年IBM公司推出的各代量子处理器芯片的示意图。

图9 IBM各代量子处理器芯片的示意图

2023年5月31日，国盾量子携手弧光量子和中科大研发团队等合作伙伴推出了开放的“祖冲之号”量子计算云平台，该平台的图形用户界面如图8-25所示。据报道，中科大研发团队在原“祖冲之二号”66比特芯片基础上做了进一步提升，新增了110个耦合比特的控制接口，使得用户可操纵的量子比特数增加到了176比特。另外，该量子计算机在连通性、保真度、相干时间等关键指标方面均有所提升。

图10“祖冲之号”量子计算云平台的图形用户界面

2023年10月11日，中科大潘建伟院士、陆朝阳教授的研发团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，宣布成功构建了255个光子的光量子计算原型机“九章三号”，刷新了光量子信息技术水平和“量子计算优越性”的世界纪录。。

后记，包括这篇在内的8篇芯片前沿技术瞭望系列文章是对我的新书《芯片通识课》的内容扩展，大家可以先阅读一下这本书，以便更好理解瞭望系列文章的内涵。《芯片通识课》的内容、特点和适读人群在之前我的文章“源于工作经验和芯论语，我的芯片知识科普书隆重出版”中介绍过，图11是这本书照片和订购二维码，欢迎阅读和指正。

图11 我的新书《芯片通识课》