曾被IBM封存，如今跑出10亿独角兽

在科技产业的淘金热中，最先赚到钱的有可能是那些“卖铲子”的人。

近日，量子计算基础设施供应商SEEQC向美国证券交易委员会递交了IPO申请，计划登陆纳斯达克，估值约10亿美元，背后站着Cantor、BTIG等华尔街承销商，以及NVIDIA、Booz Allen Ventures、Kinpo Group等战略投资方。

SEEQC不做量子比特，也不卷量子体积，它的核心技术是起源于IBM实验室、由苏联科学家完成理论奠基的单磁通量子逻辑（Single Flux Quantum，SFQ）。目前，SEEQC已经取得了不错的成绩。

不过，我国在这一技术方向虽起步晚于国外企业与科研机构，但是我国一直在追赶，甚至在某些关键维度已展露出后来居上的态势。

SFQ的发展之路

SFQ（Single Flux Quantum，单磁通量子逻辑）理论雏形诞生于1960年代，依托约瑟夫森量子隧穿效应，以单个磁通量子Φ₀作为最小信息单元，用皮秒级超导脉冲传递数字信号，拥有GHz级运算速度、纳瓦级超低功耗两大核心特性。

1964年，IBM率先开展约瑟夫森结相关研究；1967年，J. Matisoo发表了约瑟夫逊结逻辑器件的工作。

此后十余年，IBM押注超导计算机，试图用约瑟夫森结挑战正在崛起的硅基CMOS。但当时的超导逻辑电路采用电平逻辑，需要交流复位，加之铅合金热稳定性差，时钟频率被束缚在1GHz范围内，在与半导体路线的竞争中失去优势，IBM最终封存了这项商业计划。

但技术火种并未熄灭。1983年，由IBM超导研究团队的骨干成立Hypres公司，承接了很多美国国防部、NASA和DARPA的尖端项目，专注于SFQ数字电路的设计与制造，为后续SEEQC的诞生埋下技术根基。

真正给SFQ奠定了理论基础的是1985年在莫斯科国立大学工作的三位科研人员。

他们提出了快速单磁通量子（Rapid Single Flux Quantum，RSFQ）电路，电路基于皮秒级的脉冲输运信息，工作效率理论上可达到THz量级，第一块制备测试的RSFQ电路就以30GHz以上的频率充分展示了其极高的频率优势。

可见，SFQ的发展脉络非常清晰：IBM点燃了约瑟夫森结研究的火种，苏联研究人员为RSFQ奠定了理论基础，美国的Hypres为其打磨了军工级工程能力。

SeeQC：把IBM未竟的事业商业化

2019年，SeeQC从Hypres拆分独立，由John Levy领衔。John Levy本人曾任Hypres的执行董事长，首席科学官Oleg Mukhanov则在超导电子领域深耕三十年。

这支团队做的事情，从结果来看，是把IBM当年没有做成的“超导计算机”愿景嫁接到今天的量子计算机的工程化需求上去。

传统的超导线路中，每一个量子比特都需要独立的控制线，由室温机柜的线路连到接近绝对零度的稀释制冷机机器里面去。比特数量越多，线缆越多，热负载越大，校准的开销越大，系统复杂度增加呈线性、甚至超线性。这是超导路走向数千比特、数万比特绕不过去的“线缆墙”。

所以，全球正在探索多条可扩展控制路线。谷歌、IBM探索的是三维集成、多芯片封装方案；英特尔、imec正在冲击低温CMOS。而SEEQC从一开始就认定了一条完全不同的路：单磁通量子逻辑（SFQ）。

不同于用高低电平的电压代表“0”和“1”的传统CMOS芯片，SFQ电路处理的是能量极低、传输速度极快（皮秒级）的单磁通电压脉冲。

这种物理特性上的质变带来了两大压倒性优势：一是极高频。SFQ电路的工作频率很容易就可以做到20GHz，甚至超过100GHz，这为极高精度的时域操作和微秒级的状态读取提供了先决条件，也是未来实现量子纠错的关键；二是超低功耗。其功耗大大低于传统CMOS芯片。

也正是缘于这极低的热消耗，SeeQC把控制电路本身搬进低温区，做成芯片。SeeQC的核心产品是一套基于SFQ的超导数字逻辑芯片，配上低温CMOS，把原本要靠一堆室温模拟电缆完成的控制、读出、复用，尽量在芯片层面、贴着量子比特的地方就地解决。

SeeQC这套方案的工程意义主要体现在3个维度：

功耗低。SeeQC在Nature Electronics上的工作证明，每个量子比特的热负载是3.25纳瓦，比传统室温射频方案低约一半，比低温CMOS低3个数量级，这在毫开尔文温区的热预算管理上非常关键；

保真度高。单量子比特门保真度最高可以达到99.9%，通过解复用器控制的4个量子比特保真度也可以稳定在99.7%左右。

具备“量子比特无关性”。这套架构不绑定特定的技术路线，能用在超导上，也可以用在自旋硅、中性原子等多种平台。这也是SeeQC能同时和IBM、Rigetti、英伟达等不同企业类型有合作关系的根本原因所在。

邓纯青团队：把SFQ嵌入门模型量子计算架构

近期，来自粤港澳大湾区量子科学中心的邓纯青、祝莎莎团队发表在预印本平台arXiv一项重磅工作（Millikelvin digital-to-analog converter for superconducting quantum processors），对超导处理器扩展性问题提供了一种不同于过往的中国方案。

量子控制大体上分为两类：静态偏置和动态门操作。静态偏置的作用是把量子比特稳定到合适的工作点上，动态操作则是用来进行真正的量子门操作。长期以来，这两条线分开操作——静态偏置多用模拟线路，动态操作则多在室温侧实现。

邓纯青团队的贡献就是将静态偏置也纳入了SFQ数字框架。

图：SFQ可编程DAC架构与设备实现 

具体来说，他们实现了SFQ可编程毫开尔文DAC与高相干Fluxonium量子比特的多芯片模块集成。

他们的解决方案是“数字编码+本地解码”。SFQ脉冲是信息的载体，通过解复用树（DEMUX）准确地寻找到目标DAC。每个DAC接收到脉冲后会确定性地在环路中增加或者减去一个磁通量子，从而产生持续的直流偏置电流。

这种设计将原本需要成千上万根线才能完成的静态偏置任务，压缩到了对数级别的控制线数量。理论上，只需log₂(n)条控制线就可以寻址n个DAC，极大释放了布线压力。

更值得一提的是，为了兼顾量子比特的高相干性和控制电路的复杂性，研究团队使用先进的多芯片模块（MCM）倒装焊架构，即量子比特芯片和控制电路芯片分开去做。

另外，更关键的验证是相干性测试。研究人员分别在低于20毫开尔文的极低温下，对比了传统偏置线控制方式和DAC控制方式下的Fluxonium退相干行为，证明DAC没有引入额外可分辨的退相干或能量弛豫通道，平均能量弛豫时间约为82±17微秒，噪声水平和未集成DAC的Fluxonium结果相近。

这就表示低温DAC可以靠近高相干量子比特工作，同时不会对量子比特的性能产生太大破坏。这点对未来构造集成控制非常重要。

“苏轼（SUSHI）”：把SFQ推向类脑计算的边界

SFQ的应用远远不止量子计算。在中科院计算所，尤海航研究员和唐光明研究员带领的团队提供了另一种应用场景——超导神经形态计算。

图：苏轼（SUSHI）芯片实物

2023年，团队研制出超导神经形态处理器原型芯片“苏轼（SUSHI）”，论文入选国际计算机体系结构领域顶级会议MICRO 2023。

这款芯片采用上海微系统所自己研制的2微米的SIMIT-Nb03超导集成电路工艺制备，用十万个约瑟夫森结就可以做到每秒近1.4万亿次突触操作的峰值神经形态处理性能和每瓦超32万亿次突触操作的高能效。

这是国际上首次利用超导计算芯片实现完整的神经形态计算网络推理功能。

它证明了SFQ电路的另一重价值。如今，经典计算正步步逼近物理学极限，在单位体积及单位能耗条件下，SFQ或许可以突破算力瓶颈。

同时，SFQ所具备的超高计算速度和超低计算功耗特征，使其在新原理计算领域表现出独特的竞争力。

差距与卡点

SFQ电路目前还存在一些技术和集成度的“卡脖子”问题：

集成度差距。约瑟夫森结集成度约达10⁶ JJs/cm²，而传统的CMOS集成电路集成度已达10¹⁰ transistors/cm²，尚存在4个数量级差距。

存储短板。纯超导技术难以构建高密度、大规模的低温存储器，这限制了SFQ计算系统的完整性。

低温问题。SFQ电路要在低温下工作，这是其主要优势，也是难以回避的工程部署的现实制约。

这些“卡脖子”问题不可能由某一个团队或单位来解决，需要工艺、设计、系统、应用多方协同。

当然，看到差距是讨论中国SFQ发展绕不过去的一步。但也要看到中国在这方面的积累。例如：

上海微系统所的SIMIT-Nb03工艺已经进入了国际路线图；中科院计算所的“苏轼（SUSHI）”芯片在国际顶会上亮相；邓纯青团队在门模型量子计算控制架构上给出了原创方案；任洁团队在EDA工具链上取得算法突破等等。

从工艺、设计工具、芯片到系统架构，中国已经形成了多点布局。

与SeeQC比起来，中国的优势在于学术原创和工艺自主性，缺点是在于工程化转化和商业生态。

而SeeQC背后有着Hypres数十年的军工级打磨、IBM的合作关系、华尔街的资金通道，这些都是中国团队短期内难以复制的。

但反过来，中国团队也不用复制SeeQC走的路。大家本质上都是在做同一件事，就是用超导数字逻辑重塑计算的底层规则。

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/xuK8mqRbtCJrMLOEliALSQ

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/kUz6hYkI7hvs9a09pDtwhw

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/M2zy5Fa4DMrAJgM7-WjhCw

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/nTvAQSFRJ71A0iic3ofhoA