量子芯片可以不用光刻机？中美标准之争又打响

仲国民

来源: 每日头条/日期: 2021-03-05

量子计算时代快来了，量子芯片的生产需要用光刻机吗？中国的量子计算机和美国的量子计算机，谁能主导未来的量子计算世界？我是东城观星，今天我们继续复盘中国芯片的探索之路。


一、量子计算机要来了？


2020年，量子计算机一不小心闯进了普通老百姓的视野里。因为中国的量子计算机超过了美国的量子计算机，并且展示出了一项远远超过世界最强超级计算机的能力，也就是量子霸权或者说量子优越性。但是，这并不能说明中国的量子计算水平超过了美国，占领了量子计算机的市场，实现了弯道超车。


其实，量子计算是一个新兴的科技领域，全世界都在探索的路上，目前还没有形成成熟的工业标准。而且，量子计算机的硬件平台方案有很多种，目前探索比较多的有超导量子计算、光量子计算、拓扑量子计算、核磁、冷原子、离子阱等方案。


这其中，美国最牛的悬铃木量子计算机采用超导量子计算方案，中国最牛的九章量子计算机采用光量子计算方案。世界其他国家也有很多研究成果，但从实践来说，中国和美国比较领先。目前只有中美两个国家的量子计算机实现了量子霸权，也就是在计算特定问题时，超过了世界上最快的超级计算机。


二、中国最大的机遇就是尽快抢占量子计算机的标准制定权


但是，不管是悬铃木还是九章量子计算机，跟最终理想的通用量子计算机比起来，就像小孩玩的计算器和超级计算机的差距一样大。也就是说，现在的量子计算机，正处在萌芽阶段。现在是个伟大的机遇期，能否把握好机遇，最终占据产业链的顶端，关键看能不能在标准制定的过程中占据主导地位。


举个大家都熟悉的例子。无线通讯领域，最早的移动电话，是两个人抱着的大家伙，一个人抱机子，一个人打电话，那是现在手机的鼻祖（对应于这个大家伙，现在的悬铃木和九章量子计算机也是鼻祖级的量子计算机，远没有到商用的水平）。后来移动电话不断改进，开始上市销售，有了我们在老电影里见到的大哥大手机，这是1G手机，采用模拟信号，还没有使用数字信号。

第二代手机也就是2G手机，开始采用数字信号，一共有两个标准，一个是GSM，一个是CDMA。前两代通讯标准，我们国家的企业只能跟着喝点汤，话语权很小，专利授权费却一点不少交。第三代手机，也就是3G手机，中国标准开始入场，但TD-SCDMA标准只是一个被边缘化的标准，没有占领太多的市场，还是啃骨头喝汤的地位。


后来4G时代，我们国家已经成了标准的主要发起者，5G时代已经成了标准制定的领头羊。相反，美国在4G和5G领域被国际标准给边缘化了，变得非常被动，于是开始下大力气布局6G标准，准备跟中国在6G标准上展开争夺战。


通过这个例子，我们可以看出，能否在行业中占据主导地位，关键看是否在标准制定的过程中发挥了主导作用。现在量子计算机还处于萌芽状态，很快就是标准制定的阶段了。十多种不同原理的量子计算机类型，最终能在市场上占据领导地位的，也就两三种，甚至很可能只有一种。其他类型最终会被市场的潮流给冲洗掉，停留在实验室阶段。


三、中美两国的量子计算机方案


悬铃木和九章分别代表两种不同的量子计算机类型，也代表着中美两国的主攻方向。不得不说，中美两国的相关企业在未来若干年内，将会全力争夺量子计算机的标准制定权，把自己的标准推广到全世界。谁的胜算更大呢？现在不好说，可以说各有优缺点。

超导量子计算机

美国的企业显然更喜欢超导量子计算机。因为超导量子计算机的芯片生产，最接近现在的普通芯片生产工艺，基本上在现有工艺上简单改进就可以生产量子芯片了。也就是说，要是实现产业化的话，超导量子计算机会继承一个很成熟的生产工艺，工艺开发成本最低。换一个角度说，超导量子计算机的生产离不开光刻机，甚至有可能需要最先进的极紫外光刻机才行。


当然，有优点，自然也有缺点。这个类型的量子计算机必须在非常低的温度下工作，因为只有低温才能实现超导，低温下量子纠缠效应才够稳定。现在的超导量子计算机都是在接近绝对零度的温度下进行工作，温度稍微升高一点都会影响计算结果。此外，超导量子计算机产生的量子纠缠效应维持的时间非常短，只有50微秒左右，超过这个时间信息就很容易丢失了。


超导量子计算机在工作的时候非常容易出错，需要一套高效的纠错方案。也就是说，超导量子芯片生产容易，但对工作环境要求极为严格，同时需要很多保障措施才行。这样的设备，一般企业是养不起的。与其供着这么个爷爷，还不如买个普通超级计算机玩玩。不过事情也不是绝对的，也许通过大家的努力，尤其是高温超导技术的应用，也可以突破限制。不管怎样，这种量子计算机在世界范围内研究力度都是比较大的。

九章量子计算机采用的光量子计算方案，相对于超导量子计算机来说，不太受国际企业待见。但也有得天独厚的优势：


首先，光子的量子纠缠效应几乎没有退相干的时间限制，在所有类型的量子计算机来说，光量子计算机这项性能是最优异的，其他计算机相干时间有几秒就算是非常长了，很容易丢失信息。而光子几乎不受外界环境的影响，不容易丢失量子信息。


其次，光量子计算机不需要泡在液氦里面，因为它在常温下也能正常工作，对工作环境的要求要低很多。大家可能看到了中科大展示的九章量子计算机，就在一个普通的屋子里面敞口放置。完全不需要严格的工作环境。


当然，它也有缺点。因为光子之间很难产生相互作用，两个光子就算碰到一起，也不会发生反应，所以怎样让光子进行计算是个难题，当然现在已经有了一些解决方案，有兴趣的朋友可以自己去深入了解。


其次，就像我们看到的，九章量子计算机是一个比较宏观的大家伙，现在只有76个量子位，就已经比餐桌还大了，将来做到成千上万个量子位的通用量子计算机，那得多大呀？


此外，不管是光量子计算机、超导量子计算机，还是其他量子计算机，现在都无法做到成千上万个量子位，短时间内也难以做到，但这却是将来通用量子计算机必须要达到的水平。未来谁更占优势，关键得看谁更容易实现超多量子位。


四、量子计算机需要用光刻机来生产吗？


制作九章量子计算机，确实可以暂时不用光刻机。但是未来小型化和微型化是必然的趋势，生产光量子芯片是个必经之路。但是光量子芯片相对于传统芯片和超导量子芯片来说，不再是电子的天下而是光子的天下了。结构更复杂，生产更困难，需要设计很多微型光学元器件。

好在，现在已经有了制作光量子芯片的方案，很多单位也做出了成品。中国的很多大学在这方面都有成果。比如，北京大学的王剑威团队已经做出了光量子芯片，另外国防科技大学也生产出了可以计算和编程的光量子计算机芯片。可以说，我国的光量子芯片技术已经突破了一系列难题，正在走向标准化的路上。


那么光量子芯片需不需要光刻机呢？我很想说，不需要，让ASML一边凉快去吧！但是，不用光刻机，用什么呢？微观光路和零器件的制造，还是离不开光刻机的，还是那句老话，总不能用手盘他吧！由于光量子芯片跟传统的芯片不一样，需要设计更复杂的元器件，比如激光光源、滤波装置、波导、量子态调控装置和单光子检测器等等。


这套复杂的系统就不能套用传统芯片的生产工艺了，台积电、三星这些代工厂的工艺积淀就不太好用了，需要研发新的工艺。同时，光量子芯片，暂时还做不到几纳米的尺度，基本在100纳米左右，传统的光刻机也就够用了，无需最先进的极紫外光刻机。


因此，看看我国产业界能不能把握住这个契机，建设一套独立的光量子芯片生产标准，不用在关键技术上被卡脖子。


五、中国能不能赢得量子计算机的标准之争？


此外，我国除了在光量子计算机上处于世界领先地位以外，并没有放弃其他类型量子计算机的研发和技术储备。尤其是超导量子计算机，我国的水平也是比较靠前的。中科大和阿里巴巴公司就合作了中国第一台云端服务的超导量子计算机。

现在中国的超导量子计算机水平也就是仅次于美国的公司。而跟光量子计算机相对应的光量子通讯技术，我国的产业化水平是全世界最高的，可以说是完全领先世界。这些跟潘建伟院士及其团队的伟大贡献是分不开的。


量子计算机，不仅硬件标准等待制定，是个巨大的机遇，操作系统和软件的标准也在制定的过程中，我国刚刚发布了独立自主的量子计算机操作系统，未来会继续努力，在量子计算机领域的生态建设将占据主动地位，不会再像现在的电子计算机这样被动了。而量子计算机一旦应用起来，将带来计算领域的新革命。


有人提到，量子计算机不是通用计算机，永远不可能替代超级计算机。这个理解是不正确的，眼下的量子计算机主要用来解决特定问题，没有错。但量子计算机的最终发展方向是通用量子计算机，可以像超级计算机一样解决各种问题，甚至更有优势。很多传统计算机难以解决的计算难题，可以用量子计算机来解决，人工智能技术也可能有了全新的解决方案。


大家觉得，中国和美国的量子计算机标准之争，中国能否取胜，未来的量子计算机使用中国标准还是美国标准呢？欢迎在评论区留言，我们让时间来鉴定大家的预言。