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超导量子芯片具有哪些优势?

日期:2020-11-2 标签:芯片 类别: 阅读:7424 (来源:互联网)

量子计算同量子通信(xin)、量子测(ce)(ce)量共(gong)同被(bei)认为是量子科(ke)技(ji)的(de)重(zhong)要方向。相(xiang)比(bi)于(yu)如今火(huo)热的(de)量子通信(xin),神秘(mi)的(de)量子测(ce)(ce)量,量子计算凭借计算能(neng)力上(shang)所具有(you)的(de)想象空间(jian),近(jin)年来(lai),成为全球主要国家争相(xiang)布(bu)局的(de)前沿科(ke)技(ji)领域。

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,传统的经典集成电路芯片而言,AD847AQ量子芯片在材料、工艺、设计、制造、封测等方面的要求和实现路径上都存在一定差异。

两种主(zhu)流实(shi)现(xian)方(fang)式(shi)

经(jing)典(dian)集成(cheng)电路芯片(pian)通过(guo)一个个晶体管构建经(jing)典(dian)比(bi)特(te),二(er)进制信息单元(yuan)即经(jing)典(dian)比(bi)特(te),基于半导体制造工(gong)艺,采(cai)用硅、砷化镓、锗等(deng)半导体作(zuo)为材(cai)料。

而量(liang)(liang)子(zi)(zi)芯片(pian)采用2个(ge)量(liang)(liang)子(zi)(zi)状态来叠加及纠缠(chan),用以(yi)执(zhi)行以(yi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特为(wei)基础(chu)的(de)(de)运算,因此只(zhi)要物质的(de)(de)物理性质具(ju)有(you)两个(ge)易(yi)于操(cao)作(zuo)的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)态,都有(you)可能成(cheng)为(wei)量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特的(de)(de)制作(zuo)基础(chu),类似(si)经(jing)典集成(cheng)电(dian)路芯片(pian)中高低电(dian)平(ping)代表的(de)(de)“1”与(yu)“0”。

根据构建量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比特(te)所采(cai)用的不(bu)同物理(li)体系,量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比特(te)在物理(li)实现方式(shi)上包括超导量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)电路、半导体量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)点、离子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)阱、金(jin)刚石(shi)空(kong)位(wei)、拓(tuo)扑量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)、光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)等。

开发与现(xian)代(dai)半导体工艺兼(jian)容(rong)的电控量(liang)子(zi)(zi)芯片是量(liang)子(zi)(zi)计算机(ji)研制的重要方(fang)(fang)向之一(yi),半导体量(liang)子(zi)(zi)点和超导量(liang)子(zi)(zi)电路技术被视为(wei)最有可能实现(xian)大(da)规模(mo)集成量(liang)子(zi)(zi)信息处理(li)器的物(wu)理(li)方(fang)(fang)案。

经典集成电路芯片包括数字和模拟芯片,量子芯片可以视为一种模拟芯片,主要采用的制程在100nm左右,但与经典集成电路芯片最大的不同在于制造的工艺与材料不同。

其中,超导(dao)(dao)量子(zi)(zi)芯(xin)片(pian)利用约(yue)瑟夫森结构成(cheng)的(de)(de)超导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)路(lu)来实现(xian)(xian)二能(neng)级(ji)(ji)系统,主流材料(liao)是(shi)铝(lv)(lv),通过(guo)在铝(lv)(lv)膜上刻蚀(shi)电(dian)(dian)(dian)路(lu)形(xing)状(zhuang),用微波信号实现(xian)(xian)对其控制(zhi)(zhi)(zhi)。半导(dao)(dao)体(ti)量子(zi)(zi)芯(xin)片(pian)是(shi)在传统的(de)(de)半导(dao)(dao)体(ti)微电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)工艺基(ji)础上,寻找到能(neng)够实现(xian)(xian)控制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi),通过(guo)控制(zhi)(zhi)(zhi)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)多个自由度实现(xian)(xian)二能(neng)级(ji)(ji)系统。

半导(dao)体(ti)(ti)量(liang)(liang)子芯片(pian)可(ke)以很好(hao)地结(jie)合和(he)利用(yong)现代成熟的半导(dao)体(ti)(ti)微电(dian)子制造(zao)工艺(yi),通(tong)过纯(chun)电(dian)控(kong)的方(fang)式制备(bei)、操(cao)控(kong)与(yu)(yu)读取量(liang)(liang)子比特(te)更具(ju)灵活性。与(yu)(yu)现代大(da)规模集成电(dian)路类似,半导(dao)体(ti)(ti)量(liang)(liang)子芯片(pian)具(ju)有良好(hao)的可(ke)扩展(zhan)、可(ke)集成特(te)性,被认为(wei)是未来实现大(da)规模实用(yong)化(hua)量(liang)(liang)子计算的最佳候选(xuan)体(ti)(ti)系之(zhi)一。

超(chao)(chao)导(dao)量(liang)子(zi)芯(xin)片具(ju)有如下优势: 一是操作数大,超(chao)(chao)导(dao)量(liang)子(zi)比特(te)相(xiang)干时间长,操作速度(du)快,保真度(du)高(gao),总(zong)体(ti)能够实现上(shang)千次操作。 二是工(gong)艺(yi)成熟,相(xiang)对其他(ta)固(gu)态(tai)量(liang)子(zi)芯(xin)片体(ti)系,超(chao)(chao)导(dao)量(liang)子(zi)比特(te)受(shou)材料缺(que)陷的(de)(de)影(ying)响更小,利用成熟的(de)(de)纳米加工(gong)技术(shu),可以(yi)实现大批(pi)量(liang)生产。 三(san)是可扩展性好,超(chao)(chao)导(dao)量(liang)子(zi)比特(te)结构简(jian)单,调控方便,极(ji)易扩展。

目前,全球领(ling)先(xian)的(de)量(liang)子计算技术主要掌握(wo)在美国、澳大(da)(da)利(li)亚、日本和中(zhong)(zhong)国等高(gao)校和企(qi)业手中(zhong)(zhong)。谷歌和IBM都推出了(le)超(chao)导量(liang)子芯片,英特尔(er)(er)、澳大(da)(da)利(li)亚新南威尔(er)(er)士大(da)(da)学(xue)和荷兰(lan)代尔(er)(er)夫特大(da)(da)学(xue)推出了(le)半导体量(liang)子芯片。

我国量子计算领军企业本源量子目前开发出第一代半导体2比特量子处理器玄微 XW B2-100、第一代超导6比特夸父量子处理器KF C6-130。

硅材料纯度(du)要求(qiu)更(geng)高

传(chuan)统(tong)集(ji)成电路芯片主要(yao)指经典计算机的硅(gui)基半导(dao)体(ti)芯片,它(ta)基于(yu)半导(dao)体(ti)制(zhi)造(zao)工艺,采(cai)用硅(gui)、砷化镓、锗等半导(dao)体(ti)材料。

实现对(dui)(dui)于量子(zi)芯片中的量子(zi)比(bi)特的精(jing)确控(kong)制(zhi),对(dui)(dui)环境要(yao)(yao)求苛刻,不仅(jin)要(yao)(yao)超低温(wen),还要(yao)(yao)“超洁(jie)净”,极其微弱的噪声(sheng)、振动(dong)、电磁波和微小杂质颗粒都会扰乱(luan)信(xin)号,这(zhei)对(dui)(dui)于量子(zi)芯片的材料和设计提出了更高的要(yao)(yao)求。

据(ju)本(ben)源(yuan)量(liang)子(zi)(zi)(zi)副总(zong)裁赵勇杰介绍,在(zai)硅(gui)材料纯度上(shang),相较于(yu)经典芯片(pian)而言,量(liang)子(zi)(zi)(zi)芯片(pian)的要求(qiu)更高。比(bi)如(ru)常(chang)规硅(gui)片(pian)中(zhong)含有大量(liang)的硅(gui)28和少量(liang)的硅(gui)29同(tong)位(wei)素,由于(yu)硅(gui)29的核自旋可以影响(xiang)硅(gui)基半导体(ti)量(liang)子(zi)(zi)(zi)芯片(pian)中(zhong)电子(zi)(zi)(zi)的自旋,因此在(zai)半导体(ti)量(liang)子(zi)(zi)(zi)芯片(pian)应用中(zhong)需要在(zai)硅(gui)材料提(ti)纯硅(gui)28,去除(chu)其中(zhong)的硅(gui)29。

电(dian)磁(ci)场对于(yu)半导(dao)体以及超(chao)导(dao)量子比特的干扰也较大,虽然传统(tong)芯片设(she)计中也要考虑(lv)电(dian)磁(ci)场的相互影(ying)响,但在量子芯片的设(she)计中会考虑(lv)得更加精细。

此外,即使是工(gong)作温度(du)(du)比较高(gao)(gao)的(de)(de)硅(gui)基半导体量子芯片,目前工(gong)作的(de)(de)温度(du)(du)最高(gao)(gao)也(ye)要到(dao)(dao)1.5k,也(ye)就(jiu)是零下272.5度(du)(du),这(zhei)样(yang)的(de)(de)工(gong)作环境(jing)下,传统集成(cheng)电(dian)路的(de)(de)很多(duo)因素就(jiu)会(hui)受到(dao)(dao)影响,比如开(kai)关(guan)电(dian)压不(bu)同(tong)等。

因此,量(liang)子(zi)芯片(pian)迫切需要(yao)(yao)发展(zhan)超导(dao)电(dian)(dian)子(zi)学技(ji)(ji)术和低(di)温电(dian)(dian)子(zi)学技(ji)(ji)术。因为当芯片(pian)集成比(bi)特数达到数千个(ge)以(yi)后(hou),按照现有(you)的(de)模式,用室温电(dian)(dian)子(zi)学控制(zhi)设(she)备控制(zhi)每一(yi)个(ge)比(bi)特几乎不(bu)可能实现,需要(yao)(yao)将比(bi)特的(de)控制(zhi)部分和量(liang)子(zi)芯片(pian)集成,能够达到这个(ge)目标的(de)唯一(yi)技(ji)(ji)术是超导(dao)电(dian)(dian)子(zi)学。目前(qian)超导(dao)电(dian)(dian)子(zi)学技(ji)(ji)术还(hai)处在非常(chang)基础(chu)的(de)阶(jie)段(duan),实际应用非常(chang)少,如何与量(liang)子(zi)芯片(pian)集成更是有(you)待研究的(de)全(quan)新(xin)课题(ti)。

与此同时,为了实现低温环境,还需要配置大功率极低温制冷机。超导量子芯片只能在10mK左右的极低温(约零下273.14度)下才能工作,而且还要求提供足够的制冷功率,目前能做到的只有稀释制冷机。当前的稀释制冷机技术仅能做到满足数百个比特的需求,支持更大规模的量子芯片的技术仍是一个待研究的课题,目前国内的稀释制冷机主要都是通过进口获得。

独特(te)的(de)设计、制造和(he)封装

同传统集成电(dian)路(lu)芯片(pian)设(she)计类(lei)似(si),量子芯片(pian)的(de)设(she)计也需要依靠设(she)计和(he)仿真(zhen)软件。但(dan)由(you)于(yu)同半导体芯片(pian)电(dian)路(lu)特(te)性(xing)不同,量子芯片(pian)电(dian)路(lu)原理和(he)结(jie)构(gou)设(she)计遵循(xun)完全(quan)不同的(de)逻(luo)辑,不可能直(zhi)接使用现(xian)有的(de)半导体芯片(pian)设(she)计或仿真(zhen)软件,需要重(zhong)新开(kai)发。

“目(mu)前市场上并(bing)没有成熟的(de)(de)量子(zi)(zi)芯片(pian)(pian)EDA软件(jian),我们自主研发的(de)(de)量子(zi)(zi)芯片(pian)(pian)EDA工(gong)具(ju),是在传统设计(ji)和(he)仿(fang)真(zhen)的(de)(de)基础上进行(xing)(xing)了(le)功(gong)能(neng)的(de)(de)升(sheng)级,并(bing)且(qie)包(bao)含自研的(de)(de)量子(zi)(zi)芯片(pian)(pian)核心仿(fang)真(zhen)程序。通过(guo)现(xian)有经(jing)验和(he)数据(ju)工(gong)具(ju),进行(xing)(xing)结构和(he)参数指标方面的(de)(de)设计(ji)。此(ci)外(wai),比如(ru)针对超导量子(zi)(zi)芯片(pian)(pian),也包(bao)含了(le)微波(bo)电路(lu)的(de)(de)一些技术(shu),很多结构可以用微波(bo)仿(fang)真(zhen)软件(jian)来模拟特性,为量子(zi)(zi)芯片(pian)(pian)的(de)(de)设计(ji)提供指导依据(ju)。”赵勇杰说。

在制(zhi)(zhi)造(zao)方(fang)面,量子芯(xin)片的(de)生产制(zhi)(zhi)造(zao)过程本身(shen)具有的(de)复杂的(de)系统工(gong)程属性以及需要非常专业化(hua)(hua)知识(shi)体系,决定了(le)无法如(ru)通过设(she)计好的(de)EDA制(zhi)(zhi)作参数(shu)以及自(zi)动化(hua)(hua)工(gong)具,借助现有的(de)代工(gong)资源去完成生产制(zhi)(zhi)作,其生产制(zhi)(zhi)造(zao)的(de)每个环(huan)节,都(dou)需要专业化(hua)(hua)程度较高的(de)特定工(gong)程师逐(zhu)步调试工(gong)艺(yi)参数(shu)。

在(zai)封(feng)装(zhuang)环(huan)节,也需要(yao)在(zai)传统(tong)封(feng)装(zhuang)技术(shu)的(de)基(ji)础上,通过技术(shu)工具实(shi)现对于量子(zi)芯片的(de)封(feng)装(zhuang)。一方面要(yao)求能够(gou)在(zai)封(feng)装(zhuang)后,大(da)幅度(du)(du)抑制信号泄露并进(jin)行噪声隔离(li),同时要(yao)具有高(gao)效(xiao)的(de)集成性(xing),高(gao)效(xiao)的(de)散(san)热(re)性(xing)能,提供磁场屏蔽(bi)保护(hu)(hu)与红外辐(fu)射屏蔽(bi)保护(hu)(hu)等特(te)性(xing)。另一方面,比如对于超导量子(zi)芯片而(er)言,在(zai)封(feng)装(zhuang)中,最重要(yao)的(de)环(huan)节是(shi)要(yao)将(jiang)其中的(de)控制通道,通过微波(bo)线缆引出,保证低温(wen)状态下能够(gou)有效(xiao)将(jiang)量子(zi)芯片冷却(que)到较低的(de)温(wen)度(du)(du)。

由于专业性较高,技术(shu)复杂,目前推出(chu)量子芯(xin)片的企业基(ji)本(ben)上都是采用IDM的方式,芯(xin)片制(zhi)备(bei)需(xu)要(yao)专门的工艺和设(she)(she)(she)备(bei)产(chan)线。相关(guan)产(chan)品在(zai)研发周期,设(she)(she)(she)备(bei)和资金(jin)投(tou)入方面也较传统模拟芯(xin)片投(tou)入较大。仅实(shi)验室用的测(ce)试设(she)(she)(she)备(bei)就在(zai)数(shu)千万元的价格,而(er)制(zhi)造用的纳(na)米加工设(she)(she)(she)备(bei)产(chan)线,则需(xu)要(yao)数(shu)亿元的投(tou)入。

艰难(nan)的追赶(gan)阶段

如上文所(suo)述,量子计(ji)算的(de)研制属于(yu)巨(ju)型系统工(gong)程,涉及(ji)众多产(chan)业基础(chu)和(he)工(gong)程实现环(huan)节。我国在(zai)高品质(zhi)材料(liao)、工(gong)艺(yi)结构、制冷设(she)备和(he)测控系统等领(ling)域仍落(luo)后(hou)于(yu)领(ling)先(xian)国家,在(zai)一些关键环(huan)节甚至面临着受制于(yu)人的(de)风险。同时,量子计(ji)算的(de)实际(ji)应用场(chang)景仍需要更(geng)广泛持续地(di)探索。

我国(guo)的量子(zi)计(ji)算研(yan)究起步晚于欧美先进国(guo)家,且主(zhu)要以科(ke)研(yan)为导向,研(yan)究主(zhu)体集(ji)中(zhong)在各个高校与科(ke)研(yan)院所。虽然(ran)在一些(xie)细分领域取得了科(ke)研(yan)上的突破,但在量子(zi)计(ji)算整体的工(gong)程(cheng)化实现与制造(zao)工(gong)艺层面与国(guo)际(ji)先进水平具有明显差距。

业内(nei)专家(jia)指出(chu),量(liang)子计(ji)算(suan)(suan)需要克服环境噪声(sheng)、比(bi)特错(cuo)误和(he)实现可(ke)容错(cuo)的普适量(liang)子纠错(cuo)等一(yi)系列(lie)难题,真正量(liang)子计(ji)算(suan)(suan)机(ji)研发挑战巨大。

赵勇杰表(biao)示,在量子计算芯片方面,中国(guo)同国(guo)际(ji)领先水平还有(you)三四(si)年的差距。

“欧美厂(chang)商进(jin)展非(fei)常(chang)快,如何能够保持持续追赶(gan)的(de)势头是(shi)关键(jian),中国的(de)量子计算(suan)芯片的(de)产业化发展还处于艰难的(de)追赶(gan)阶段(duan),如果(guo)跟不上,差距将会越(yue)拉越(yue)大(da)。”赵(zhao)勇杰(jie)说(shuo)。

另有行(xing)业人士表示,量(liang)(liang)子计算(suan)除了工程化方面的诸多挑战之(zhi)外,量(liang)(liang)子计算(suan)系统(tong)在高(gao)性能FPGA、高(gao)速ADC以及量(liang)(liang)子计算(suan)控制系统(tong)等(deng)、低温(wen)设备(bei)制冷剂(ji)等(deng)核心(xin)器件和材料等(deng)方面,仍然(ran)依(yi)靠进(jin)口,也存在不少(shao)“卡脖子”环节。

“并不能(neng)因为实验室发表了(le)几篇世界领(ling)先的研究成果就(jiu)盲目乐观,我国(guo)的量子计算还有很长的路要走。”该人士坦言(yan)。