國內(nèi)首個“量子芯片冰箱”投用，量子芯片與傳統(tǒng)芯片有何不同？竟能擺脫對光刻機的依賴？
量子芯片中的超導材料對環(huán)境敏感度較高，在制作和存儲過程中如果環(huán)境不達標，就容易和空氣中的氧氣、水分子產(chǎn)生化學反應，吸附各類雜質(zhì)。量子芯片關鍵部件約瑟夫森結、超導電容等會因此老化，導致量子比特頻率一致性變差，量子芯片相干時間降低，最終影響量子芯片的性能。就像食物暴露在空氣中氧化腐爛，量子芯片如果不妥善保存，也會因為“不新鮮”而無法使用。
量子技術離人類的生活已不遙遠，當初電腦、手機等電子產(chǎn)品也被認為是只有科幻小說中才有的東西，但現(xiàn)在都已經(jīng)成為現(xiàn)實。今年1月份，合肥本源量子研發(fā)出多臺中國量子計算機，并成功向用戶交付一臺。至此，中國成為世界上第三個具備量子計算機整機交付能力的國家。
而量子計算機被認為是新一輪科技的戰(zhàn)略制高點，量子芯片也被看作是“硅芯片”的下一代產(chǎn)品。
那么問題來了，量子芯片究竟是什么？能否帶領我們突破芯片難題，擺脫“卡脖子”？
一、什么是量子芯片？
量子芯片其實就是把量子線路集成在基片上，使其具備處理量子信息和數(shù)據(jù)的能力。
量子芯片未來也要走集成化道路，這一點和傳統(tǒng)芯片相似。不同的是，傳統(tǒng)芯片增加的是晶體管數(shù)量，而量子芯片增加的是量子信息。
我們都知道摩爾定律，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。
傳統(tǒng)的硅基芯片一直按照摩爾定律更新迭代，但隨著晶體管數(shù)量的增加，工藝制程下降至5nm、3nm時，出現(xiàn)了越來越嚴重的“量子隧穿”效應。
由于量子遂穿，導致芯片的良品率下降，漏電率提升。甚至科學家們認為1nm就是硅基芯片的盡頭。
那么，與其花費大量精力解決量子隧穿問題，倒不如研發(fā)量子芯片來代替?zhèn)鹘y(tǒng)芯片，于是各國開始投入資金研發(fā)量子芯片。
二、量子芯片與傳統(tǒng)芯片有哪些不同之處？
1、材料不同
傳統(tǒng)芯片是以硅為原材料的半導體；
而量子芯片原材料則更為豐富，可以是超導體、半導體、絕緣體或者金屬。
2、邏輯不同
傳統(tǒng)芯片通過控制晶體管的電壓，從而產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)“0”或“1”，0表示關，1表示開。
0和1共同組成了二進制數(shù)據(jù)，它的基數(shù)為2，遵守“逢二進一”、“借一當二”的規(guī)則。計算機中所有的信息都將轉化為由0和1組成的代碼，然后進行存儲和傳輸。
量子芯片的數(shù)據(jù)采用微觀的量子表示，根據(jù)量子力學原理，量子數(shù)據(jù)可以表示“0”、“1”，也可以同時處于“0和1”的疊加狀態(tài)。
這種疊加狀態(tài)就是量子芯片的最大特色，它可以進行多路徑計算，因此效率更高、結果更精確。
3、工藝不同
傳統(tǒng)芯片首先制造晶圓，制造出來的晶圓上沒有電子信息，然后在晶圓上光刻電路圖，最后進行封裝測試。
量子芯片先通過分子束外延生長含有二維電子的基片材料，然后再進行刻蝕，最后通過電子束蒸發(fā)金屬鍍膜，加上金屬剝離技術，最終獲得量子芯片。
4、性能不同
量子芯片的性能比傳統(tǒng)芯片性能更強。
當傳統(tǒng)芯片接近理論的技術瓶頸時，量子芯片可以輕松突破，并且可以再提升百倍、千倍。
做個比喻，如果傳統(tǒng)芯片是自行車，那么量子芯片就是飛機。一臺搭載50個量子的計算機，其速度可以超越神威太湖之光計算機。
總的來說，量子芯片對于傳統(tǒng)芯片就是全面的升級，甚至是推倒重來，僅在概念和算法上模擬傳統(tǒng)芯片。傳統(tǒng)芯片就像磚和木頭蓋房子，量子芯片就是鋼筋混凝土蓋高樓大廈。
三、量子芯片技術有何突破？
摩爾定律說過，芯片每18個月算力提高一倍，但是現(xiàn)在半導體芯片的算力已經(jīng)快到了摩爾定律的極限，主要原因是硅晶片單位面積承受的晶體管數(shù)量，已經(jīng)到了硅分子的物理極限，所以發(fā)展新的芯片勢在必行。
能超越硅基芯片的有兩種芯片，一種是碳基芯片，另一種是量子芯片。
碳基芯片是因為良好的分子結構和物理性質(zhì)，可折疊，單位面積可以承載更多的晶體管，散熱能力強，功耗低等特點，但是碳基芯片還是屬于傳統(tǒng)半導體芯片的一種，不過目前來說碳基芯片的芯片的研究進度是不錯的，代替硅基芯片的可能性是很大的，甚至說下一代芯片就是碳基芯片。
但是我們不僅要關注眼前，還要關注未來，因為未來是量子芯片的天下，各個國家對于量子芯片的研究都處于初級階段，沒有太大差距，我國目前研究出來的是6個量子比特的芯片，相比于之前3量子比特的計算能力提高了8倍之多，實現(xiàn)重大突破，遠超歐美的水準。
因為各個國家的巨頭都在加速研究量子計算機和量子芯片，比如IBM 在2016 研究出5 位量子比特的量子計算機，目前已經(jīng)開始研究50位量子比特的量子計算機，而微軟在 2005 年就已經(jīng)開始鉆研量子計算技術。
谷歌則在2014 年宣布已經(jīng)建成了 9 量子比特的機器，也是可編程的量子計算機中最大的一個，2016 年用了三個超導量子比特來模擬氫分子的基態(tài)量子計算機可以做到和傳統(tǒng)計算機一樣好，前段時間公布了76量子比特機器的制造計劃。
阿里巴巴則在2017 年建立多個量子安全傳輸域，提供安全數(shù)據(jù)傳輸服務；并和中科大、中國科學院、浙江大學、中科院物理所等協(xié)同完成參與研發(fā)了世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機，2018年5月，阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣布成功研制當前世界最強的量子電路模擬器，名為太章。
量子計算機的計算能力是指數(shù)增長的，所以說不考慮材料的限制，量子芯片的算力是無限大的。
而未來是大數(shù)據(jù)的時代，我們每天都需要面對各種各樣的數(shù)據(jù)，無人化和智能化的設備會雨后春筍般地冒出來，數(shù)據(jù)量和計算速度都是指數(shù)倍的增長，現(xiàn)有的算力遲早有一天會達到天花板。
不光如此，人類還需要探索外太空，我們需要對天體物理的研究有所突破，對量子力學研究有所突破，對暗物質(zhì)的研究有所突破，這些都將是人類發(fā)展中面對的難題，而現(xiàn)在的超算的算力已經(jīng)無法完成此類工作，只能用量子計算機，因為現(xiàn)有的量子計算機在計算單一問題早已超越了任何經(jīng)典計算機。
目前還沒有國家和公司制造出通用量子計算機，如果我們國家的通用量子計算機率先普及，那么在生物基因研究、航天工程、人工AI、大數(shù)據(jù)、芯片等絕大多數(shù)領域都會有所突破，這對于全世界人類的發(fā)展有著莫大的好處，也是我們?yōu)槭裁捶e極發(fā)展量子芯片和量子計算機的原因。
四、量子芯片可以擺脫EUV光刻機？
EUV光刻機是7nm及以下傳統(tǒng)芯片的必需設備，那么量子芯片是不是也需要EUV光刻機呢？
目前對量子芯片的研究主要包括：超導量子電路、半導體量子點、離子阱、量子拓撲、金剛石空位、光量子技術。
EUV光刻機針對的是硅基芯片，而超導、金剛石、光量子顯然不會用到這類設備。
此外，量子芯片不需要在基體上雕刻幾百億個晶體管，而是通過電子束外延生長量子，可以說二者的工藝并不相同，因此對光科技的需要差異很大。
量子芯片還可以使用碳基材料，而碳基芯片采用的是碳納米管搭建技術，根本用不到光刻機。
可以說，量子芯片完全有能力繞開光刻機，使用其他的設備進行制造。即便是用到光刻機，也不需要EUV這類頂級設備。
目前，我國第一條量子芯片生產(chǎn)線已經(jīng)搭建完畢，這條生產(chǎn)線中并沒有出現(xiàn)EUV光刻機，這也恰好提供了佐證。
如果我國能夠?qū)⒘孔有酒夹g發(fā)揚光大，使其應用在更多的場景中，那么不但可以有效的提高芯片的性能，同時也能繞開EUV光刻機，徹底擺脫“卡脖子”。
安徽合肥搭建的量子芯片生產(chǎn)線，是我國在量子芯片領域的重大突破，同時也證明了我國有制造量子計算機的能力。
量子芯片與傳統(tǒng)的硅基芯片制造技術并不同，可以完美的繞過EUV光刻機技術，同時將芯片的性能提升千倍、萬倍。
如果我們能夠打造一條完全自主的國產(chǎn)量子芯片產(chǎn)業(yè)鏈，那么擺脫“卡脖子”，逆襲歐美日韓，都是有可能的。
