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光量子芯片，中国或将迎来新机遇

来源：晰数塔互联网快讯时间：2022年05月13日 19:26

4月7日美国政府拨款2500万美元支持芯片代工厂格芯开发光量子计算机。

4月14日英特尔与代尔夫特理工大学 (TU Delft) 在英特尔半导体制造工厂使用替代和先进工艺成功地在28 Si/28 SiO2 界面上制造了量子点。

4月19日荷兰政府将通过国家基金并动员其他私营部门机构，向该国光子集成电路（PIC）产业投入11亿欧元，推动本土企业发展。

4月26日据外媒报道，由德国初创企业Q.ANT牵头，14家合作伙伴组成“PhoQuant”项目，目前正在开展可在常温下运行的光量子计算芯片研发。

究竟是什么原因让各国纷纷投入光量子芯片的研发？

近年来，光量子计算中兴起了一种使用光纤作为光量子的内存，进而用光量子内存来提升容错量子计算的量子比特数目的方法。

随着集成电路技术逐渐接近原子极限，量子计算被认为是后摩尔时代最具潜力的破局者。相比经典电子计算机，量子计算可以提供指数级的算力提升，从而突破目前日益复杂的金融模型计算、生物医药、材料设计和人工智能等领域的算力瓶颈。

今年2月，国防科技大学计算机学院QUANTA团队，联合军事科学院、中山大学等国内外单位，研发出一款新型可编程硅基光量子计算芯片，实现了多种图论问题的量子算法求解，被外界认为是绕开光刻机的办法之一，而美国却眼热要求技术共享。

这种新型量子芯片虽然也是采用微纳加工工艺，但是主要是在单个芯片上集成大量光量子器件，由于生产原理的不同，所以可以绕开光刻机的限制。

一旦光量子芯片成功商用，诸如7nm、5nm等制程工艺的研究将失去原有的意义，芯片制造领域也将迈进一个新的里程，我们将突破芯片制造的困境。

光量子芯片的研发和制作，并不依赖西方的高端光刻机，一旦该技术研制成功，并且走向成熟。甚至在该领域，乃至未来全球的芯片市场，我们都能占据优势。

量子领域重大突破的消息意味着，未来我国不仅将重点发展新型碳基芯片，还将加大量子芯片技术的研发力度，作为未来中国芯片科技发展的新方向。

揭开光量子芯片的“神秘面纱”

制造光量子芯片最引人注意的一点就是可以不借助于光刻机。

在制造原理上光量子芯片和传统芯片有很大的区别，因为光量子芯片主要由数目庞大的光量子器件集成，而这些器件的制造虽然需要使用到微纳米加工技术，但是对加工设备的要求并不像加工传统芯片那样严格，只需要借助低端的光刻机就可以完成。

其次光量子芯片跟传统芯片相比优势格外明显，使用光作为信息传递的载体，储存的信息可以保存更长的时间，而且光量子芯片对外界的抗干扰性更强，兼容性更好，操控精度更加准确，是未来芯片主流的发展方向。

光量子芯片可通过一种动态编程结构，实现芯片结构的重新建立解决了定点搜索等复杂的算法问题，显示了其在实现特定量子计算应用方面的巨大潜力。

PsiQuantum重磅论文解读光量子通用计算方案

在美国著名光量子计算公司PsiQuantum发表的论文中提到两种方案：模块化的容错光量子计算的架构和时分复用的方法。

模块化的容错光量子计算的架构，第一次完整展示了其走向百万光量子比特的技术路线，印证了新一代具备光子处理模块，数字处理模块和光纤内存的光量子计算架构的可扩展性和先进性。

在超导技术路线中，量子比特一般是以阵列的方式呈现，可以长时间存储量子信息，并对其进行门操作和测量。而光量子的相干性优异，但是飞行光子的缺点是易损耗，测量完之后即被销毁。因此PsiQuantum此前研究了更适合光量子的容错计算的方式，也就是基于融合的量子计算。

在光子FBQC架构中，有两个核心设备：资源态生成器（resource-state generators，RSG），用于周期性生成少量光子的纠缠组成的资源态（resource state），或者说小规模的簇态（cluster state）；融合设备（fusion devices），通过对两个或多个资源态，进行少量光子纠缠的测量，并把这些资源态融合成更大的簇态。

有了以上两种设备还不够，要进一步扩大这种光量子计算的量子比特规模还需要采用时分复用方法，这种方法构建了“光纤内存”这一重要模块。如果我们用时分复用的方式，每1ns有一个光子进入光纤，那么1公里的光纤内存可以暂态存储超过5000个光子。低损耗光纤是光量子计算架构中负责提供大容量量子内存的核心部件。简单来说一个光子在低损耗光纤里传输1公里，仍旧有超过95%的概率几个毫秒后从光纤的另一端出来，这样的损耗率可以用容错FBQC来解决。

通过结合RSG、融合设备和光纤内存的架构设计，就可以实现具备容错量子计算的数千个物理量子比特的计算能力。另一方面，把多个RSG连接成网络就可以实现完整的通用逻辑门计算。同样的规模在静态量子比特中，比如超导量子比特，需要每个RSG有5000个物理量子比特作为数据存储才能实现。

RSG等设备对应的就是光子处理模块部分，而融合设备等对应的是数字处理模块，最后采用时分复用的光纤作为内存。

最后，PsiQuantum的论文研究了光子FBQC，光纤内存和拓扑容错协议之间的结合，同时达到以下三个目标：

1. 单个RSG比一个静态量子位要强大得多。通过在低损耗介质(如光纤)中临时存储光子资源状态，RSG中可以同时存在多达数千个现有的资源状态。这使得每个RSG能够模拟数以千计的静态物理量子比特，以实现容错的量子计算。

2. 光子FBQC的架构是高度模块化和可扩展的。大规模容错量子计算机可以通过使用相同计算模块组成网络而构建出来。模块由一些融合设备和宏观光纤延迟组成，这些延迟用来做存储器，并在模块之间进行连接。因此，在扩展这样的量子计算机时，主要的挑战是构建许多相同的RSG，而不是一大堆静态量子位。RSG提供了一种替代方法，可以用来扩大非光子物理基础器件的量子比特规模，如固态量子比特等。只要能够转化到合适的光子，就可以将它们作为嵌入大规模光子体系结构中的自主操作的RSG来使用。

3. 模块化组件之间的宏观光学连接可以降低逻辑操作的成本。RSG产生的光子可以传播很远的距离，而且不像传统架构那样的受到局域约束的影响。RSG之间的非局域连接提供了一套新的工具，能更有效地实现逻辑操作。

中国自主造芯，使命必达

目前正在研制的可编程光量子芯片是一个全新的领域，各国都在同一个起跑线，这无疑需要面临着很大的风险，但国家依旧坚持于此技术的研究，其主要原因有三个：

其一，量子技术是未来推动社会发展的主要动力，对光量子芯片的研究，可以促进量子技术的研究，有可能领先其他国家一步，打开量子时代的大门。

其二，目前使用的芯片主要都是由西方国家生产的，所有关键的技术都掌握在其他国家的手中，从国家安全的角度来讲，这样的事情是十分危险的，为了不让自己的安全受制于人，发展属于我们自己的芯片是一个势在必行的举措。

其三，光量子芯片的研发不仅仅是规避西方国家技术封锁的举措，更是关乎到国家的安全以及参与到新时代的发展。可编程光量子技术的突破显示了我们国家雄厚的科技实力，一旦光量子芯片在国内实现完全的量产，那么西方将不再有机会对我们的芯片技术造成封锁，彼时我们将成为掌握“芯”时代关键技术的“造芯强国”。

全球都在战略布局，争夺未来量子计算的制高点，这一领域，中国不能输。

光量子芯片的未来发展

数据处理：从战略安全和发展战略要求的角度来看，光量子芯片可以解决主要应用中的许多重要问题，如数据处理方法耗时长、无法并行处理、功能损失大等。例如，在以激光测距、限速和高分辨成像为总体目标的长距离、高速运动的毫米波雷达中，以及在以生物技术和纳米技术组件内部结构完成的高分辨无损检测技术的新型测量显微镜相关成像武器装备中，光量子芯片可以充分发挥其高速并行处理、低功耗和小型化的优势。

激光通信：室内空间激光通信是目前解决室内空间传输速度短的关键途径，是打造综合网络信息的关键途径；水下激光通信是解决水下数据信号传输环境危害的关键途径，也是构建一体化水下通信系统的关键途径。此外，还有具有战略安全和发展战略要求的行业，如星间互联网技术、8G通信、智能遥感技术测绘工程等。所有这些都必须进行互联网大数据的快速、功耗和并行处理。光量子芯片将在这一战略性产业中发挥关键支撑作用。

算法优化：AI光量子芯片是一种匹配光学测量框架纵横比和人工智能技术优化算法的芯片设计。具有广泛应用于无人驾驶、安全监控系统、语音识别技术、图像识别技术、诊疗、手机游戏、虚拟现实技术、工业互联网、公司级服务器、大数据中心等重要人工智能技术行业的发展潜力。

人工智能：类脑光量子芯片可以模拟和模拟人脑的计算，在模拟人脑的神经网络架构下，根据光量子带的信息内容求解数据信息，使芯片可以实现类似人脑的快速并行处理和功耗计算。将微结构光量子集集成到基础光量子芯片和基于电子光学的神经网络数据处理系统中，对于解决未来功耗、高速运行、宽带网络和大量信息资源管理等问题具有重要意义。

互联网：每个人对计算机解决方案系统软件的计算速率和速度都有越来越高的要求。破坏性创新的无效性使得电子芯片在处理速度和功能损失方面面临巨大挑战。光量子测量芯片具有并行处理速度快、功耗低的优点，被认为是未来高速、大信息量和人工智能技术最有前途的测量和解决方案。

光量子芯片距成熟还要多久？

前有美国眼热要求技术共享，后有各国纷纷布局。

后摩尔的一个时代全球缺芯的局面，给了中国的光芯片一个崭新的舞台。当各个国家开始意识到光芯片的重要程度时，我们已经对光芯片技术完成了突破，就连国外也传来一些言论称“全球光量子均还处于起步阶段，技术壁垒还没有形成，作为未来信息领域新的支撑，谁掌握了光量子芯片的核心技术，谁就会成为未来领导者，现在看来，中国很有可能。”

纵有千古英雄事，横有人才守八方。

2022年以来，中国捷报频传，不管是全球物理学盛会上阿里的达摩院量子实验室公布的两比特的量子芯片技术，还是近日南科大量子科学与工程研究院彭亚涛副研究员在量子计算超低温集成电路技术研究方面取得重要突破，或是国内首家光量子芯片和光量子计算机公司图灵量子近日宣布完成近亿元人民币天使轮融资，都意味着中国科学家为了中国在量子芯片领域有更大的发言权和制高点而作出艰辛努力。

任何一家企业都不应该放弃技术创新，我国面对着非常复杂的市场环境，依旧采取了技术创新的发展方案。当技术水平越来越高时，外界打压只会变成国内科学技术发展的动力。我们期待国内芯片技术的发展，即使我们还有很长的路要走，哪怕十年磨一剑。但是光量子芯片肯定会引领第四次科技革命，我们的科学家正在全力以赴“保家卫国”。

本文来自微信公众号“半导体产业纵横”（ID:ICViews），作者：丰宁，36氪经授权发布。