光量子芯片，中國或?qū)⒂瓉硇聶C(jī)遇

后摩爾時(shí)代，光量子芯片為中國開辟新的崛起之路。

4月7日美國政府撥款2500萬美元支持芯片代工廠格芯開發(fā)光量子計(jì)算機(jī)。

4月14日英特爾與代爾夫特理工大學(xué) (TU Delft) 在英特爾半導(dǎo)體制造工廠使用替代和先進(jìn)工藝成功地在28 Si/28 SiO2 界面上制造了量子點(diǎn)。

4月19日荷蘭政府將通過國家基金并動員其他私營部門機(jī)構(gòu)，向該國光子集成電路（PIC）產(chǎn)業(yè)投入11億歐元，推動本土企業(yè)發(fā)展。

4月26日據(jù)外媒報(bào)道，由德國初創(chuàng)企業(yè)Q.ANT牽頭，14家合作伙伴組成“PhoQuant”項(xiàng)目，目前正在開展可在常溫下運(yùn)行的光量子計(jì)算芯片研發(fā)。

究竟是什么原因讓各國紛紛投入光量子芯片的研發(fā)？

近年來，光量子計(jì)算中興起了一種使用光纖作為光量子的內(nèi)存，進(jìn)而用光量子內(nèi)存來提升容錯(cuò)量子計(jì)算的量子比特?cái)?shù)目的方法。

隨著集成電路技術(shù)逐漸接近原子極限，量子計(jì)算被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代最具潛力的破局者。相比經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算可以提供指數(shù)級的算力提升，從而突破目前日益復(fù)雜的金融模型計(jì)算、生物醫(yī)藥、材料設(shè)計(jì)和人工智能等領(lǐng)域的算力瓶頸。

今年2月，國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院QUANTA團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合軍事科學(xué)院、中山大學(xué)等國內(nèi)外單位，研發(fā)出一款新型可編程硅基光量子計(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)了多種圖論問題的量子算法求解，被外界認(rèn)為是繞開光刻機(jī)的辦法之一，而美國卻眼熱要求技術(shù)共享。

這種新型量子芯片雖然也是采用微納加工工藝，但是主要是在單個(gè)芯片上集成大量光量子器件，由于生產(chǎn)原理的不同，所以可以繞開光刻機(jī)的限制。

一旦光量子芯片成功商用，諸如7nm、5nm等制程工藝的研究將失去原有的意義，芯片制造領(lǐng)域也將邁進(jìn)一個(gè)新的里程，我們將突破芯片制造被卡脖子的困境。

光量子芯片的研發(fā)和制作，并不依賴西方的高端光刻機(jī)，一旦該技術(shù)研制成功，并且走向成熟，我們將徹底打破被西方卡脖子的局面。甚至在該領(lǐng)域，乃至未來全球的芯片市場，我們都能占據(jù)優(yōu)勢。

量子領(lǐng)域重大突破的消息意味著，未來我國不僅將重點(diǎn)發(fā)展新型碳基芯片，還將加大量子芯片技術(shù)的研發(fā)力度，作為未來中國芯片科技發(fā)展的新方向。

揭開光量子芯片的“神秘面紗”

制造光量子芯片最引人注意的一點(diǎn)就是可以不借助于光刻機(jī)。

在制造原理上光量子芯片和傳統(tǒng)芯片有很大的區(qū)別，因?yàn)楣饬孔有酒饕蓴?shù)目龐大的光量子器件集成，而這些器件的制造雖然需要使用到微納米加工技術(shù)，但是對加工設(shè)備的要求并不像加工傳統(tǒng)芯片那樣嚴(yán)格，只需要借助低端的光刻機(jī)就可以完成。

其次光量子芯片跟傳統(tǒng)芯片相比優(yōu)勢格外明顯，使用光作為信息傳遞的載體，儲存的信息可以保存更長的時(shí)間，而且光量子芯片對外界的抗干擾性更強(qiáng)，兼容性更好，操控精度更加準(zhǔn)確，是未來芯片主流的發(fā)展方向。

光量子芯片可通過一種動態(tài)編程結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的重新建立解決了定點(diǎn)搜索等復(fù)雜的算法問題，顯示了其在實(shí)現(xiàn)特定量子計(jì)算應(yīng)用方面的巨大潛力。

PsiQuantum重磅論文解讀光量子通用計(jì)算方案

在美國著名光量子計(jì)算公司PsiQuantum發(fā)表的論文中提到兩種方案：模塊化的容錯(cuò)光量子計(jì)算的架構(gòu)和時(shí)分復(fù)用的方法。

模塊化的容錯(cuò)光量子計(jì)算的架構(gòu)，第一次完整展示了其走向百萬光量子比特的技術(shù)路線，印證了新一代具備光子處理模塊，數(shù)字處理模塊和光纖內(nèi)存的光量子計(jì)算架構(gòu)的可擴(kuò)展性和先進(jìn)性。

在超導(dǎo)技術(shù)路線中，量子比特一般是以陣列的方式呈現(xiàn)，可以長時(shí)間存儲量子信息，并對其進(jìn)行門操作和測量。而光量子的相干性優(yōu)異，但是飛行光子的缺點(diǎn)是易損耗，測量完之后即被銷毀。因此PsiQuantum此前研究了更適合光量子的容錯(cuò)計(jì)算的方式，也就是基于融合的量子計(jì)算。

在光子FBQC架構(gòu)中，有兩個(gè)核心設(shè)備：資源態(tài)生成器（resource-state generators，RSG），用于周期性生成少量光子的糾纏組成的資源態(tài)（resource state），或者說小規(guī)模的簇態(tài)（cluster state）；融合設(shè)備（fusion devices），通過對兩個(gè)或多個(gè)資源態(tài)，進(jìn)行少量光子糾纏的測量，并把這些資源態(tài)融合成更大的簇態(tài)。

有了以上兩種設(shè)備還不夠，要進(jìn)一步擴(kuò)大這種光量子計(jì)算的量子比特規(guī)模還需要采用時(shí)分復(fù)用方法，這種方法構(gòu)建了“光纖內(nèi)存”這一重要模塊。如果我們用時(shí)分復(fù)用的方式，每1ns有一個(gè)光子進(jìn)入光纖，那么1公里的光纖內(nèi)存可以暫態(tài)存儲超過5000個(gè)光子。低損耗光纖是光量子計(jì)算架構(gòu)中負(fù)責(zé)提供大容量量子內(nèi)存的核心部件。簡單來說一個(gè)光子在低損耗光纖里傳輸1公里，仍舊有超過95%的概率幾個(gè)毫秒后從光纖的另一端出來，這樣的損耗率可以用容錯(cuò)FBQC來解決。

通過結(jié)合RSG、融合設(shè)備和光纖內(nèi)存的架構(gòu)設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)具備容錯(cuò)量子計(jì)算的數(shù)千個(gè)物理量子比特的計(jì)算能力。另一方面，把多個(gè)RSG連接成網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)完整的通用邏輯門計(jì)算。同樣的規(guī)模在靜態(tài)量子比特中，比如超導(dǎo)量子比特，需要每個(gè)RSG有5000個(gè)物理量子比特作為數(shù)據(jù)存儲才能實(shí)現(xiàn)。

RSG等設(shè)備對應(yīng)的就是光子處理模塊部分，而融合設(shè)備等對應(yīng)的是數(shù)字處理模塊，最后采用時(shí)分復(fù)用的光纖作為內(nèi)存。

最后，PsiQuantum的論文研究了光子FBQC，光纖內(nèi)存和拓?fù)淙蒎e(cuò)協(xié)議之間的結(jié)合，同時(shí)達(dá)到以下三個(gè)目標(biāo)：

1. 單個(gè)RSG比一個(gè)靜態(tài)量子位要強(qiáng)大得多。通過在低損耗介質(zhì)(如光纖)中臨時(shí)存儲光子資源狀態(tài)，RSG中可以同時(shí)存在多達(dá)數(shù)千個(gè)現(xiàn)有的資源狀態(tài)。這使得每個(gè)RSG能夠模擬數(shù)以千計(jì)的靜態(tài)物理量子比特，以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的量子計(jì)算。

2. 光子FBQC的架構(gòu)是高度模塊化和可擴(kuò)展的。大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)可以通過使用相同計(jì)算模塊組成網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)建出來。模塊由一些融合設(shè)備和宏觀光纖延遲組成，這些延遲用來做存儲器，并在模塊之間進(jìn)行連接。因此，在擴(kuò)展這樣的量子計(jì)算機(jī)時(shí)，主要的挑戰(zhàn)是構(gòu)建許多相同的RSG，而不是一大堆靜態(tài)量子位。RSG提供了一種替代方法，可以用來擴(kuò)大非光子物理基礎(chǔ)器件的量子比特規(guī)模，如固態(tài)量子比特等。只要能夠轉(zhuǎn)化到合適的光子，就可以將它們作為嵌入大規(guī)模光子體系結(jié)構(gòu)中的自主操作的RSG來使用。

3. 模塊化組件之間的宏觀光學(xué)連接可以降低邏輯操作的成本。RSG產(chǎn)生的光子可以傳播很遠(yuǎn)的距離，而且不像傳統(tǒng)架構(gòu)那樣的受到局域約束的影響。RSG之間的非局域連接提供了一套新的工具，能更有效地實(shí)現(xiàn)邏輯操作。

中國自主造芯，使命必達(dá)

目前正在研制的可編程光量子芯片是一個(gè)全新的領(lǐng)域，各國都在同一個(gè)起跑線，這無疑需要面臨著很大的風(fēng)險(xiǎn)，但國家依舊堅(jiān)持于此技術(shù)的研究，其主要原因有三個(gè)：

其一，量子技術(shù)是未來推動社會發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ瑢饬孔有酒难芯浚梢源龠M(jìn)量子技術(shù)的研究，有可能領(lǐng)先其他國家一步，打開量子時(shí)代的大門。

其二，目前使用的芯片主要都是由西方國家生產(chǎn)的，所有關(guān)鍵的技術(shù)都掌握在其他國家的手中，從國家安全的角度來講，這樣的事情是十分危險(xiǎn)的，為了不讓自己的安全受制于人，發(fā)展屬于我們自己的芯片是一個(gè)勢在必行的舉措。

其三，光量子芯片的研發(fā)不僅僅是規(guī)避西方國家技術(shù)封鎖的舉措，更是關(guān)乎到國家的安全以及參與到新時(shí)代的發(fā)展。可編程光量子技術(shù)的突破顯示了我們國家雄厚的科技實(shí)力，一旦光量子芯片在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全的量產(chǎn)，那么西方將不再有機(jī)會對我們的芯片技術(shù)造成封鎖，彼時(shí)我們將成為掌握“芯”時(shí)代關(guān)鍵技術(shù)的“造芯強(qiáng)國”。

全球都在戰(zhàn)略布局，爭奪未來量子計(jì)算的制高點(diǎn)，這一領(lǐng)域，中國不能輸。

光量子芯片的未來發(fā)展

數(shù)據(jù)處理：從戰(zhàn)略安全和發(fā)展戰(zhàn)略要求的角度來看，光量子芯片可以解決主要應(yīng)用中的許多重要問題，如數(shù)據(jù)處理方法耗時(shí)長、無法并行處理、功能損失大等。例如，在以激光測距、限速和高分辨成像為總體目標(biāo)的長距離、高速運(yùn)動的毫米波雷達(dá)中，以及在以生物技術(shù)和納米技術(shù)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)完成的高分辨無損檢測技術(shù)的新型測量顯微鏡相關(guān)成像武器裝備中，光量子芯片可以充分發(fā)揮其高速并行處理、低功耗和小型化的優(yōu)勢。

激光通信：室內(nèi)空間激光通信是目前解決室內(nèi)空間傳輸速度短的關(guān)鍵途徑，是打造綜合網(wǎng)絡(luò)信息的關(guān)鍵途徑；水下激光通信是解決水下數(shù)據(jù)信號傳輸環(huán)境危害的關(guān)鍵途徑，也是構(gòu)建一體化水下通信系統(tǒng)的關(guān)鍵途徑。此外，還有具有戰(zhàn)略安全和發(fā)展戰(zhàn)略要求的行業(yè)，如星間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、8G通信、智能遙感技術(shù)測繪工程等。所有這些都必須進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的快速、功耗和并行處理。光量子芯片將在這一戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。

算法優(yōu)化：AI光量子芯片是一種匹配光學(xué)測量框架縱橫比和人工智能技術(shù)優(yōu)化算法的芯片設(shè)計(jì)。具有廣泛應(yīng)用于無人駕駛、安全監(jiān)控系統(tǒng)、語音識別技術(shù)、圖像識別技術(shù)、診療、手機(jī)游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、公司級服務(wù)器、大數(shù)據(jù)中心等重要人工智能技術(shù)行業(yè)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

人工智能：類腦光量子芯片可以模擬和模擬人腦的計(jì)算，在模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，根據(jù)光量子帶的信息內(nèi)容求解數(shù)據(jù)信息，使芯片可以實(shí)現(xiàn)類似人腦的快速并行處理和功耗計(jì)算。將微結(jié)構(gòu)光量子集集成到基礎(chǔ)光量子芯片和基于電子光學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，對于解決未來功耗、高速運(yùn)行、寬帶網(wǎng)絡(luò)和大量信息資源管理等問題具有重要意義。

互聯(lián)網(wǎng)：每個(gè)人對計(jì)算機(jī)解決方案系統(tǒng)軟件的計(jì)算速率和速度都有越來越高的要求。破壞性創(chuàng)新的無效性使得電子芯片在處理速度和功能損失方面面臨巨大挑戰(zhàn)。光量子測量芯片具有并行處理速度快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來高速、大信息量和人工智能技術(shù)最有前途的測量和解決方案。

光量子芯片距成熟還要多久？

前有美國眼熱要求技術(shù)共享，后有各國紛紛布局。

后摩爾的一個(gè)時(shí)代全球缺芯的局面，給了中國的光芯片一個(gè)嶄新的舞臺。當(dāng)各個(gè)國家開始意識到光芯片的重要程度時(shí)，我們已經(jīng)對光芯片技術(shù)完成了突破，就連國外也傳來一些言論稱“全球光量子均還處于起步階段，技術(shù)壁壘還沒有形成，作為未來信息領(lǐng)域新的支撐，誰掌握了光量子芯片的核心技術(shù)，誰就會成為未來領(lǐng)導(dǎo)者，現(xiàn)在看來，中國很有可能。”

縱有千古英雄事，橫有人才守八方。

2022年以來，中國捷報(bào)頻傳，不管是全球物理學(xué)盛會上阿里的達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室公布的兩比特的量子芯片技術(shù)，還是近日南科大量子科學(xué)與工程研究院彭亞濤副研究員在量子計(jì)算超低溫集成電路技術(shù)研究方面取得重要突破，或是國內(nèi)首家光量子芯片和光量子計(jì)算機(jī)公司圖靈量子近日宣布完成近億元人民幣天使輪融資，都意味著中國科學(xué)家為了中國在量子芯片領(lǐng)域有更大的發(fā)言權(quán)和制高點(diǎn)而作出艱辛努力。

任何一家企業(yè)都不應(yīng)該放棄技術(shù)創(chuàng)新，我國面對著非常復(fù)雜的市場環(huán)境，依舊采取了技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展方案。當(dāng)技術(shù)水平越來越高時(shí)，外界打壓只會變成國內(nèi)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動力。我們期待國內(nèi)芯片技術(shù)的發(fā)展，即使我們還有很長的路要走，哪怕十年磨一劍。但是光量子芯片肯定會引領(lǐng)第四次科技革命，我們的科學(xué)家正在全力以赴“保家衛(wèi)國”。

作者：豐寧