半导体芯片摩尔定律的未来之路 微处理量子计算机的基本原理

以半导体芯片为核心的计算机的发明成就了现代信息技术产业的高速发展，深刻改变了人类的社会活动形式。

特邀作者： 夏春秋

清华大学 集成电路学院

随着摩尔定律的放缓，芯片正朝着复杂的系统级创新发展，以满足功率和性能要求。有一个方向格外的引人注目，那就是曾经梦想的量子计算，如今正在成为现实。量子计算是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物，是后摩尔时代具有标志性的技术，信息的量子化趋势不可避免。

 

量子计算机的基本原理

量子计算机利用量子叠加和量子纠缠来对信息执行编码、逻辑运算、存储及处理，其最核心的是来自于量子的相干性（coherence），这个是物理层面上的，经典的计算机是永远也不可能有这种相干性的。

量子叠加指一个量子比特同时具备0和1的两种状态，表示为α|0+β|1，其中|α|2+|β|2=1，它实现形式有光子的不同偏振态，核子和电子的自旋，电子绕单原子核的运动状态，超导体中的电流电荷等。量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态，创造出一种超级叠加，实现量子并行计算，其计算能力可随着量子比特位数的增加呈指数增长。

量子比特可以构成量子逻辑门，对于单比特量子逻辑门有以下特性：单比特量子逻辑门可用2×2矩阵表示；此矩阵必须是酉阵（unitary），且酉为唯一的限制；任何一个2×2的酉矩阵都构成一量子门；种类分为X、Y、Z、Hadamard门等。双比特量子门有CNOT门、SWAP门等。

整体量子系统的工作状态简图如下所示：

量子计算机意义与量子霸权

从上个世纪的Shor算法(解决大数因数分解问题，可以快速破解经典加密里常用的RSA密钥，量子算法来源于此)，Grover搜索算法(可用于数据库搜索)，到近些年的HHL算法(用于量子机器学习，从金融交易到交通规划再到等离子体模拟等)，各种各样的量子算法层出不穷，除此之外量子系统还在生物制药化学分析乃至能源等方面有着重要的意义。下图是麦肯锡评估的量子计算可以为各行业贡献的市场份额图，可见一斑。

量子计算机最被人津津乐道的就是量子霸权，它是指量子计算拥有的超越所有经典计算机的计算能力。以一项最新的科技进展为例，对于铁氧还蛋白在光合作用中的新城代谢反应的分子动力学模拟，使用量子计算机将计算的复杂度从O(N 11)降低到O(N 3)，所需的时间从两千四百万年降低至一个小时！

同时由于量子计算都是可逆的幺正计算（unitary operator），也就是说只有在一次量子计算结束时（测量量子态时）才会出现熵增。这将大大减少量子计算本身所消耗的能量。

这些巨大的优势让量子技术已成为最受关注的科技进展之一，列举近些年与量子技术相关的诺贝尔奖：（量子相干）2005年，“对光学相干的量子理论的贡献”和对基于激光的精密光谱学发展。（单量子操控）2012年，“能够测量和操控单个量子体系的开拓性实验方法”。（拓扑量子计算）2016年，在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。2020年诺贝尔物理学奖获得者罗杰·彭罗斯提出大脑进行信息的量子相干处理即一种“量子计算”。

但是，量子计算的应用对物理系统的要求很高。量子比特很脆弱，不像mos晶体管可以简单集成到芯片上，量子系统往往需要特别低的温度，非常精细的控制，与环境的足够隔绝等。这就对目前量子系统工作环境下的计算电路提出了技术要求。

 

世界科企先进进展

量子技术一直备受世界各国的科技工作者和企业的重点关注。量子计算领域典型创业公司主要以欧美国家为主导。

不同公司采用的量子双态（二能级）固体系统也不同，目前国际各大公司量子计算的载体使用情况为：谷歌和IBM选择了比较主流的超导量子电路；Intel采用硅量子点；微软和贝尔实验室使用拓扑量子位；量子计算初创企业i onQ选择的是离子阱；Quantum Diamond Technologies采用钻石空位。

谷歌&D-Wave

2013年05月，谷歌宣布以1500万美元购买D-Wave公司。2014年9月谷歌宣布建造基于超导电子学的超快量子芯片。2015年8月谷歌宣称D-Wave公司D-Wave Two型的512 位的量子芯片问世。2017年1月D-Wave公司宣布他们新的2000个超导量子比特的商用量子计算机。谷歌2018年3月展示的72位超导量子比特芯片。

 

Intel

Intel在2017年10月宣称了17量子位超导测试芯片交付于荷兰合作伙伴 QuTech。2018年1月Intel在电子产品展览会(CES)上宣布开始制造并交付49量子比特（qubit）的超导量子芯片。2020年4月，Intel与QuTech合作，在nature上展示了在高于1K的温度下成功控制了“热”量子比特，该研究还强调了对两个量子位的个体相干控制，单量子位保真度高达 99.3%，这些突破突显了未来量子系统的低温控制以及与单电子晶体管非常相似的硅自旋量子位在集成封装中的潜力。2020年12月，Intel推出了第二代低温控制芯片 Horse Ridge II，支持增强功能和更高水平的集成，以实现对量子系统的优雅控制，新功能包括操纵和读取量子比特状态，拥有控制纠缠多个量子比特所需的多个门的潜力。

2022年3月在美国物理学会（APS）的会议上，Intel介绍了公司最新发表的14篇论文成果，并透露了公司的量子战略计划。在Intel看来，实用的量子计算未来还有很长的路要走，可能长达十年左右，所以他们不打算提供面向NISQ的应用程序产品。作为经典计算微处理器领导者，围绕开发量子计算相关工程复杂性，Intel制定了长期路线图：致力于面向未来提供强大的量子处理器芯片和纠错功能。

Intel表示，他们在量子计算竞赛中的最大优势，是利用硅晶体管构建高性能计算模块方面的能力。相比超导量子比特，自旋量子比特有着显著优势，例如每个量子比特的裸片面积缩小了几个数量级，并且基于自旋量子比特技术，Intel可以通过自家芯片晶圆厂来生产该芯片，而不需要再安装新的制造设备。

与其他团队使用电子束光刻、原子层沉积和剥离硅处理器等技术不同，Intel采用的是先进的标准EUV（极紫外）光学光刻、等离子蚀刻、CMP（化学机械抛光）以及大规模193nm光刻工艺构建硅基自旋量子比特芯片，Intel的先进制造方法已具备了高产量、高精度、低污染、高匀度、高再生性优势。

目前，Intel已自研了软件开发工具包（SDK）、带有基于LLVM架构的C++编译器和系统软件工作流程，旨在高效执行经典/量子变分算法。其中，优化的编译器可接管用户程序并以最有效的方式将其编译为处理器的原始门集，从而控制经典处理器和量子处理器之间的所有交互，实现高效协作。SDK支持用户像开发一些不同的模拟器一样开发量子点芯片。同时，Intel的软件团队也在研究如何在基于自旋量子比特的量子处理器上运行这些算法。

  IBM

IBM于2016年5月发布了5个量子位的IBM Quantum Experience量子云计算，于2017年5月宣布已经建立16个量子比特的Quantum Experience通用计算机和一个17量子比特的商业处理器原型。2017年11月IBM 发布消息称已经构建成功 50量子比特的量子计算处理器的样机,将使用在下一代的IBMQ系统中,提供给客户。12月宣布将与包括三星、摩根大通和巴克莱银行在内的12家主要公司合作，开发商用量子计算。

在2019年国际消费电子展（CES）上，IBM推出全球首台量子计算一体机Q System One，称其为“世界上第一个专为科学和商业用途设计的集成通用近似量子计算系统”。IBM认为，衡量一个量子设备的性能不仅要看量子比特的数量，还要考虑量子比特的连通性（Connectivity），门的测量误差(Measurement Errors)，相干时间(Coherence Times)的增加，设备串扰(Device Crosstalk)的减少，以及软件对电路编译效率(Compiler Efficiency)的改进等多方面，因此IBM提出了一个全新的针对量子系统的度量标准——量子体积（Quantum Volume）。2020年8月，IBM表示其最新的27位量子比特系统Montreal达到了64QV；仅4个月后，IBM量子计算副总裁Jay Gambetta在推特上宣布，其最新量子计算系统IBM Q System One-Montreal达到了128QV，比四个月前又翻了一倍。新系统的快速推出，得益于硬件设计的改进和新的“目标旋转”（Target Rotary）脉冲技术，目标旋转增加了两个量子纠缠操作的保真度，同时减少了相邻量子比特的错误。同年8月IBM发布：包含64位量子比特的Falcon芯片。

 

2022年5月，IBM更新了其量子计算路线图，计划创建一个新的量子处理器以及量子软件和服务模式，从而实现下一代——以量子为中心的超级计算机，并围绕量子处理器、CPU和GPU组合的新资源来解决世界上一些最具挑战性的问题。

要实现构建以量子为中心的超级计算机的最终目标，IBM必须在其路线图中解决几个挑战问题：1.扩展动态电路的使用。由于动态电路需要控制系统允许数据以足够低的延迟移动、实时处理，IBM必须设计出第三代控制系统以满足低延迟需求。2.新语言。IBM需要开发出新的语言，从而允许用户描述实时经典计算与量子门的组合。在量子社区的帮助下，IBM正在努力开发一种用于描述新电路的OpenQASM 3语言。3.新编译器技术。IBM需要开发出新的编译器技术以将OpenQASM 3电路转换为允许其在控制系统上运行的形式。4.容错量子计算。要成功扩展到数十万个量子比特，IBM将必须具备量子纠错能力。

 

国内量子电路进展

企业方面，2015年08月，中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室在上海成立。2017年12月，腾讯筹划许久的量子实验室曝光。2017年12月，北京量子信息科学研究院在北京中关村软件园成立，旨在推动中国抢占全球量子信息技术制高点，中国科学院院士薛其坤当选研究院院长。2018年3月，百度宣布成立量子计算研究所，开展量子计算软件和信息技术应用业务研究。

科研方面，2016年8月墨子号量子科学实验卫星在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空。2017年6月中国利用墨子号量子科学实验卫星，在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发。2021年，中科院研制的66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之2.0”问世，通过操纵其上的56个量子比特，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性。随后研制的升级版的光量子计算原型机“九章2.0”对于高斯玻色采样问题，具有了部分可编程能力，其一分钟完成的任务，目前最强大的超算需要耗费亿年的时间。

 

 

总结

超导及其固态量子相干电路经过近20年的发展，从简单物理现象的演示发展到需要有微电子工程技术介入的阶段。

未来需要持续关注并解决的问题主要集中在一下方面：1进一步发展基础理论解决量子相干问题。2电路大规模集成的物理可靠性分析和工程技术问题评估。3量子计算基本理论实现的硬件设计及电路设计。4针对超导电路特点进行容错量子纠错码优化设计.5利用超导量子比特的多样性设计建立拓扑量子计算模型.6量子仿真、退火、机器学习、玻色采样等中重大问题的确立。7信息的存储。

当今世界各主要大国在量子计算研发方面投入了巨资，这一领域具有广阔的前景，无论是在国家、经济、科技、军事、安全等方面都有着非同凡响的意义，希望未来能够将有关量子计算的幻想变成真正颠覆性的技术！

编辑：黄飞