量子芯片再成焦点

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近日，中国迎来了首颗500+比特超导量子计算芯片，这一里程碑式的成果标志着中国在量子计算领域取得了重大突破。


这颗名为“骁鸿”的超导量子计算芯片，由中国科学院量子信息与量子科技创新研究院精心研制并成功交付给国盾量子。这款芯片在集成超过500比特的同时，量子比特的寿命、门保真度、门深度、读取保真度等关键指标，有望达到IBM等国际主流量子计算云平台的芯片性能，可以充分满足千比特测控系统验证的需求。


“骁鸿”芯片的问世，对于推动大规模量子计算测控系统的发展具有重要意义。它将被用于验证国盾量子自主研制的千比特测控系统，该系统的集成度较上一代产品提升了10倍以上，核心元器件使用国产化设计，既提高了操控精度，又大幅降低了成本。这一系统的成功验证，无疑将为中国在量子计算领域的进一步发展奠定坚实基础。


值得注意的是，“骁鸿”芯片的研发并非易事。超导量子计算芯片的研发需要克服诸多技术难题，包括如何让量子比特的质量和数量同步提升，从而真正提升芯片的性能。


中国科学技术大学博士、中电信量子集团副总经理王振表示，500+比特量子计算机的云端接入，可以高效承载各领域用户对有实用价值的问题和算法开展研究，加速量子计算在实际场景中的应用，引领量子计算生态的快速发展。


那么量子芯片究竟是什么？它又能为我们带来哪些令人瞩目的应用？展望未来，它又将拥有怎样的发展前景？为何国内外众多企业纷纷对其青睐有加？接下来，让我们一同揭开量子芯片的神秘面纱。


01


量子芯片与普通芯片有哪些不同？




量子芯片作为量子计算机最核心的部分，是执行量子计算和量子信息处理的硬件装置。但由于量子计算遵循量子力学的规律和属性，量子芯片与传统集成电路芯片在材料、计算能力、工艺成熟度、信息处理方式和应用领域等方面都存在明显的不同。


从材料来看，传统芯片的核心材料主要是硅。硅也是量子芯片常用材料之一，在硅材料纯度上，相较于经典芯片而言，量子芯片的要求更高。此外，III-V族化合物（如砷化镓、磷化铟）也是量子芯片制造中重要的材料，它们具有高电子迁移率和高载流子浓度，更适合制造量子比特，并且能级结构更容易控制。除此之外，量子芯片还可能涉及超导材料，石墨烯也被视为量子芯片的一种潜在材料。


从设计角度来看，同传统集成电路芯片设计类似，量子芯片的设计也需要依靠设计和仿真软件。但由于同半导体芯片电路特性不同，量子芯片电路原理和结构设计遵循完全不同的逻辑，不能直接使用现有的半导体芯片设计或仿真软件，需要重新开发。


在工艺方面，量子芯片的制造工艺则更为复杂，特别是在处理超导材料或特殊半导体材料时，需要更高的工艺精度和更严格的环境控制。不过，超导量子比特受材料缺陷的影响较小，利用成熟的纳米加工技术，可以实现大批量生产。


从计算能力来看，量子芯片具有明显优势。以超导量子比特为例，其相干时间长、操作速度快、保真度高，能够实现上千次操作。两者的信息处理方式和逻辑结构也给两者带来了不同的计算能力。普通芯片使用二进制数字（0和1）表示信息，每个比特只能存在于两种状态之一。而量子芯片则使用量子位（qubit）来表示信息，量子比特可以同时处于多个状态，即叠加态，并通过纠缠相互影响，使得它们之间的相互作用更加复杂和强大。这种特性使得量子芯片在处理复杂问题和执行某些特定任务时，相比传统芯片具有更高的效率和精度。


从安全性角度来看，量子计算机可以在不泄露原始信息的情况下进行加密和解密。这意味着，量子计算机在信息安全领域具有巨大的潜力，可以为我们提供更加安全的网络环境。


两者在应用领域也有显著差异，普通芯片广泛应用于现代电子设备的计算、控制和存储，而量子芯片则因其独特的量子效应和叠加态运算能力，在量子计算、量子模拟、量子通信等领域具有广阔的应用前景。例如，量子计算可以在密码破译、优化问题、药物研发等领域发挥重要作用。


与现代大规模集成电路类似，半导体量子芯片具有良好的可扩展、可集成特性，被认为是未来实现大规模实用化量子计算的最佳候选体系之一。各大科技巨头和企业纷纷抢滩布局，竞相在这一领域开展研发，以期在未来的量子计算竞赛中占据有利地位。


02


2023年全球量子计算的十大进展




在全球范围内，量子计算技术得到了前所未有的关注和投资，量子计算机研发已经成为全球主要国家在前沿科技领域攻关突破的重点方向之一。


IBM发布首款1000量子比特量子芯片




2023年12月，IBM在纽约举行的年度IBM量子峰会上，推出了第一台拥有1000多个量子比特的量子计算机。多年来，IBM一直遵循量子计算的路线图，即量子比特数量每年大约翻倍。本次公布的芯片名为Condor，拥有1121个以蜂窝状排列的超导量子比特。


IBM推出133量子位QuantumHeron




会上，IBM还推出了基于Heron芯片的最新量子系统IBM QuantumSystemTwo，并对量子系统的发展路线图进行了重大更新。


Heron具备133个量子比特和可调谐耦合器，与IBM之前的旗舰127量子比特Eagle处理器相比，其设备性能提升了3-5倍，并显著减少了串扰现象。值得一提的是，Heron采用了创新的模块化架构，其基础是可调谐耦合器，与先前的量子处理器架构截然不同。


马里兰大学亚伦·斯米诺团队研发最“长寿”量子比特




2023年5月，美国马里兰大学亚伦·斯米诺团队证明，磁通量量子比特可将量子特性保持更长时间。在最新研究中，斯米诺团队在蓝宝石芯片上以特殊配置铺设极细的钛和铝线，在一排排超导“岛屿”之间形成许多通道，从而制造出了磁通量量子比特。这些细线只有在极冷温度下才是超导体，因此他们将其保存在温度接近绝对零度的冰箱内。


当芯片通电时，导线的特殊布局和超导特性使其具有几种不同的量子态，每一个都可用来将信息编码为1和0或者两者的叠加。研究团队也测量了芯片的相干时间，以揭示量子比特的“寿命”。


斯米诺指出，最好的传输子量子比特的相干时间仅为数百微秒，而磁通量量子比特的相干时间约为1.48毫秒。他们也可改变量子比特的状态，保真度为99.991%，使其成为现有最可靠的量子比特之一。


萨塞克斯大学和UniversalQuantum的研究人员实现在芯片上传输量子比特




2023年2月，来自萨塞克斯大学和UniversalQuantum的研究人员展示了他们如何使用一种新的强大技术，他们称之为“UQ Connect”，使用电场链接使量子比特能够以前所未有的速度和精度从一个量子计算微芯片模块移动到另一个量子计算微芯片模块。这使得芯片像拼图游戏一样拼在一起，制造出更强大的量子计算机。萨塞克斯大学和UniversalQuantum团队成功地传输了量子比特，成功率为99.999993%，连接率为2424/s，这两个数字都是世界纪录，比以前的解决方案好几个数量级。


俞大鹏院士课题组联合团队发文展示量子纠错优势




2023年3月，南方科技大学量子科学与工程研究院俞大鹏院士带领超导实验室助理研究员徐源研究小组，联合福州大学教授郑仕标、清华大学教授孙麓岩等团队在基于超导量子线路系统的量子纠错领域取得突破性重大实验进展。联合团队通过实时重复的量子纠错技术延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错优势。


NVIDIA发布用于加速量子-经典混合计算的全新系统




2023年3月，NVIDIA推出全球首个GPU加速的量子计算系统——NVIDIADGXQuantum结合了由NVIDIAGraceHopper超级芯片和CUDAQuantum开源编程模型构建的全球最强加速计算平台,以及与由QuantumMachines构建的全球最先进的量子控制平台OPX。


该组合使研究人员能够构建将量子计算与先进的经典计算相结合的超强应用，进而推动校准、控制、量子纠错和混合算法的发展。


Quantinuum推出系统模型H2


2023年5月，Quantinuum宣布推出量子计算系统H2，并成功创造和操控非阿贝尔任意子（non-Abeliananyon），迈出了构建容错量子计算机的关键一步。


Quantinuum通过逻辑比特实施容错算法首次实现量子计算模拟




2023年7月，Quantinuum的科学家团队在QuantinuumH1量子计算机上，使用了三个逻辑量子比特，运用一种早期容错设备算法——随机量子相位估计（StochasticQuantumPhaseEstimation），成功计算出了氢分子的基态能量。该项目的独特之处在于，它将错误检测作为算法的一部分。


当代码检测到在计算过程中产生错误的量子比特时，代码会立即终止计算，从而节省了量子资源。


IBM Q集成Q-CTRL错误抑制技术零配置实现“量子系统性能暴增”




2023年11月，IBM Quantum将量子计算初创公司Q-CTRL的错误抑制技术软件Q-CTRLEmbedded集成到IBM Quantum的按需付费计划中，以提高量子计算实用性和性能。经同行评审研究以及系统测试，证明了量子系统可以运行的量子算法的复杂性增加了10倍、量子算法的成功率提高了1,000倍以上。


哈佛大学创史上最高48Q逻辑量子比特




2023年12月，致力于美国国防部高级研究计划局（DARPA）中等规模带噪声量子优化(ONISQ)计划的哈佛研究团队创建了史上首个具有逻辑量子比特的量子电路，该量子电路含约48个里德堡原子逻辑量子比特，数量居世界之最。


03


量子计算成各国布局焦点




量子计算硬件技术主要分两大类，一类是以超导和硅半导体为代表的人造粒子路线，另一类是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。量子计算硬件研发目前处于各种技术路线并行发展和开放竞争阶段。


中国科技巨头阿里巴巴、腾讯、百度和华为通过与科研机构合作等方式成立量子实验室，布局量子处理器硬件、量子计算云平台等领域；而初创公司-本源量子，则在量子处理器硬件、开源软件平台和量子计算云服务等方面进行探索。在量子通信领域，国内企业纷纷布局，其中三大运营商一方面助力量子通信的应用落地，另一方面也不断创新应用技术、提升通信等行业的安全标准。


此外，从投资总额来看，2023年全球量子信息投资规模达到386亿美元，其中中国投资总额达150亿美元，位居全球第一，可见中国对量子科技发展的资金投入力度和重视程度。


今年以来，中国在量子计算方面的研发不断取得新进展，产业化步伐明显提速。


除了“骁鸿”的发布，中国自主研制的第三代超导量子计算机“本源悟空”已经上线运行，吸引全球超过500万人次访问；北京玻色量子科技有限公司已发布新一代550计算量子比特的相干光量子计算机。


3月29日，中电信量子集团入围国务院国资委确定的首批启航企业，将加快建设抗量子计算的新型安全基础设施，积极推动量子通信产业化和量子计算实用化。


不过从现实来看，中国与在量子计算领域的发展与美国仍存在不小的差距，尤其是在量子芯片和超低温设备等核心技术方面。


作为量子技术的主要发展方向之一，量子计算因其具备计算能力跨越式发展的潜力，成为许多国家竞相追逐的热点。美国在量子计算产业链上具有明显优势，政府对量子计算的高度重视和大力支持推动了企业数量的增长，其中涵盖了各类型的企业，包括IBM、谷歌、微软、亚马逊等代表性企业。美国在超导、离子阱、光量子等多个领域都保持领先地位，其科研创新和合作活跃，技术水平和引领能力处于全球前列。


德国、法国和其他欧洲国家在量子计算生态系统的发展方面呈现出积极的趋势。


德国政府的量子技术行动计划旨在成为量子技术的全球领导者，提供资金和战略框架。德国的量子计算企业数量排名全球第一，具有先进的技术能力，特别是在离子阱和中性原子等领域。不过，与美国相比，仍存在技术差距。


法国通过诸如国家量子技术战略等文件强烈支持量子计算。然而，与美国和中国相比，投资和产出仍存在差距，硬件和软件能力略低于德国。


英国、日本、加拿大和其他国家在量子计算的发展方面也取得了巨大的进展。英国政府的科学技术框架和国家量子战略旨在巩固其作为技术超级大国的地位，但与美国和中国相比，它在规模和类型上仍存在缺陷。日本通过其量子未来产业创新战略强调实际和工业应用，但在量子软件和服务方面仍存在一些缺点。加拿大已经启动了一项国家量子战略，得到了政府的大力支持，特别是在光子量子技术路线方面，尽管它在硬件和软件能力方面略落后于美国。


04


量子计算的商用元年是何时？




量子计算具有重要的科学意义和巨大的潜在应用价值。一方面，在摩尔定律的前提下，以硅基为基础的集成电路技术演进已接近物理极限，量子计算有望成为后摩尔时代计算能力跨越式发展的重要方案之一。另一方面，量子计算作为新型算力，在数据处理速度和能力方面相比传统计算机有显著优势，未来有望成为加速AI发展的重要引擎。


“十四五规划”多次提到量子技术。2024年政府工作报告明确提出开辟量子技术、生命科学等新赛道，创建一批未来产业先导区。


4月24日，北京市经济和信息化局、北京市通信管理局联合印发《北京市算力基础设施建设实施方案（2024—2027年）》，方案提出支持量子芯片等新型技术路线发展突破以及量子计算等先进技术研发；《山东省算力基础设施高质量发展实施方案》也提出积极布局量子计算等新型算力，依托国家广域量子保密通信骨干网络，推动量子密码应用技术和云计算技术相结合，探索量子通信规模化应用。


随着量子计算算法的持续演进，量子计算及量子通信依靠其高保密性，低时延及高可靠性等特点，应用场景逐步从特种场景向民用消费级领域拓展，从而拓宽市场空间。


ICV数据显示，结合量子计算所需的物理学基础与算法基础，量子计算有望在10-15年内实现规模化商用。根据IDC数据，2022年全球量子计算技术(包括硬件、软件和即服务解决方案)市场规模为11亿美元，2027年将增长至76亿美元左右。预计量子计算的商用元年在2030年，市场需求超过1000亿美元，2022-2030年年均复合增长率达79.72%。