量子計(jì)算是各大科技公司競爭的下一個(gè)技術(shù)焦點(diǎn)，此前已經(jīng)有多種量子計(jì)算機(jī)問世，英特爾也在研發(fā)自己的量子芯片，而且走的是硅自旋量子，使用傳統(tǒng)的CMOS半導(dǎo)體工藝就能生產(chǎn)。

日前英特爾宣布推出名為Tunnel Falls的量子芯片，有12個(gè)硅自旋量子比特，進(jìn)一步提升實(shí)用性，這也是英特爾迄今為止研發(fā)的最先進(jìn)的硅自旋量子比特芯片，利用了英特爾數(shù)十年來積累的晶體管設(shè)計(jì)和制造能力。

在英特爾的晶圓廠里，Tunnel Falls是在300毫米的硅晶圓上生產(chǎn)的，利用了英特爾領(lǐng)先的晶體管工業(yè)化制造能力，如極紫外光刻技術(shù)（EUV），以及柵極和接觸層加工技術(shù)。在硅自旋量子比特中，信息（0/1）被編碼在單個(gè)電子的自旋（上/下）中。

硅自旋量子比特本質(zhì)上是一個(gè)單電子晶體管，因此英特爾能夠采用與標(biāo)準(zhǔn)CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）邏輯生產(chǎn)線類似的流程制造它。

英特爾認(rèn)為，硅自旋量子比特比其他量子比特技術(shù)更有優(yōu)勢，因其可以利用先進(jìn)晶體管類似的生產(chǎn)技術(shù)。硅自旋量子比特的大小與一個(gè)晶體管相似，約為50x50納米，比其它類型的量子比特小100萬倍，并有望更快實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)?！蹲匀弧る娮訉W(xué)》期刊上的一篇論文1表示，“硅可能是最有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的平臺(tái)”。

同時(shí)，利用先進(jìn)的CMOS生產(chǎn)線，英特爾可以通過其創(chuàng)新的制程控制技術(shù)提高良率和性能。Tunnel Falls的良率達(dá)到了95%，實(shí)現(xiàn)了與CMOS邏輯制程接近的電壓均勻性（voltage uniformity）。此外，英特爾可在每塊晶圓上實(shí)現(xiàn)超過24000個(gè)量子點(diǎn)。Tunnel Falls能夠形成可被相互隔離或同時(shí)操控的4到12個(gè)量子比特。

接下來，英特爾將繼續(xù)致力于提高Tunnel Falls的性能，并將其和英特爾量子軟件開發(fā)工具包（SDK）整合在一起，集成到英特爾的量子計(jì)算堆棧中。

此外，基于制造Tunnel Falls的經(jīng)驗(yàn)，英特爾已經(jīng)開始研發(fā)下一代量子芯片，預(yù)計(jì)將于2024年推出。


為什么要研發(fā)量子芯片？

量子芯片究竟有多重要呢？其實(shí)在傳統(tǒng)芯片技術(shù)上，一直都是按照摩爾定律進(jìn)行更新迭代，所謂摩爾定律就是芯片性能每隔18個(gè)月就會(huì)翻一倍，這也是為什么去年全球先進(jìn)制程達(dá)到4nm，今年就已經(jīng)有3nm制程、甚至是2nm制程的芯片產(chǎn)品問世，可是接下來問題來了，因?yàn)殡S著晶體管數(shù)量的不斷增加，制程工藝發(fā)展到1nm時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)所謂的物理極限，也就是所謂的量子隧穿效應(yīng)，這種效應(yīng)將會(huì)讓芯片變得無法正常工作，因此傳統(tǒng)芯片的性能也就無法繼續(xù)往上提升了。

也正是因?yàn)槿绱?，量子芯片成為了新的可能，因?yàn)榱孔有酒淮嬖谖锢順O限，理論上可以一直往上升級(jí)，量子芯片所使用的原材料與傳統(tǒng)芯片不同，傳統(tǒng)芯片使用的是硅材料，所以存在物理極限，量子芯片原材料更為豐富，更是可以以超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體或者金屬等材料進(jìn)行生產(chǎn)，包括量子芯片的工作邏輯也與傳統(tǒng)芯片大不相同，傳統(tǒng)芯片只有0和1分別代表開和關(guān)，量子芯片根據(jù)量子力學(xué)的原理，可以做到既是0又是1，同時(shí)還能處于0和1的疊加狀態(tài)，所以運(yùn)行的算力也會(huì)更強(qiáng)。

總而言之，量子芯片已經(jīng)可以確定就是下一代的芯片產(chǎn)品，如今美國在傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域卡住我們脖子，導(dǎo)致我們無法擁有高端芯片，可是在量子芯片領(lǐng)域，我們卻有著自己獨(dú)特的技術(shù)，是不存在被美國卡脖子的可能性，特別是最近幾年，我們不斷在量子芯片領(lǐng)域取得重大突破，更是無比振奮人心，比如中國科研團(tuán)隊(duì)研制出的量子芯片冰箱，只要有了這個(gè)冰箱，就可以讓量子芯片正常工作，另外中國首條量子芯片生產(chǎn)線也投入使用。

包括還有本源量子團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)先后研發(fā)出中國首個(gè)自主研發(fā)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)本源悟源、中國首款量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)本源司南，以及中國首個(gè)量子計(jì)算云平臺(tái)，本源量子更是聯(lián)合相關(guān)行業(yè)單位成立了量子芯片聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，并且建設(shè)了中國首條量子芯片生產(chǎn)線，先不說我們是否在量子領(lǐng)域領(lǐng)先全球，至少有一點(diǎn)不可否認(rèn)的是，我們對量子技術(shù)的研究和布局是最深的，同時(shí)我們針對量子技術(shù)的投入也是最大的，如今國產(chǎn)芯片由于沒有光刻機(jī)，沒有高端芯片設(shè)計(jì)軟件，沒有芯片領(lǐng)域的核心技術(shù)，幾乎已經(jīng)看不到任何希望了，可是我們在量子芯片領(lǐng)域取得重大突破，又讓我們看到了國產(chǎn)芯片終于有救了。

世界各國積極布局量子科技

據(jù)中金公司研報(bào)，我國高度重視量子科技的研究與發(fā)展，“十四五”規(guī)劃中提出了組建一批量子信息國家實(shí)驗(yàn)室，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目，隨后北京、上海、山東等21個(gè)省市在地方“十四五”規(guī)劃中都對量子信息領(lǐng)域做出了具體部署與項(xiàng)目支持。

英國、德國、美國等各國均加速布局量子科技研發(fā)項(xiàng)目并加大資金投入，全球量子科技產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟相繼成立。作為最有前景的前沿技術(shù)之一，量子科技成為必爭的前沿領(lǐng)域。

企業(yè)層面，互聯(lián)網(wǎng)巨頭如Google、IBM、Microsoft等均積極推進(jìn)并發(fā)布了量子路線圖；初創(chuàng)公司也取得相應(yīng)成就。我國的各大高校和機(jī)構(gòu)近年來成績突出，進(jìn)入全球量子計(jì)算領(lǐng)域研究的第一梯隊(duì)。

據(jù)光子盒預(yù)計(jì)，到2027年，全球量子計(jì)算行業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到87億美元；而到了2028年將快速增長到319億美元，行業(yè)進(jìn)入爆發(fā)增長期，到2030年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到1197億美元，行業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的推廣，整機(jī)采購、云服務(wù)與應(yīng)用解決方案將獲得龐大的采購量；在隨后的5到10年內(nèi)，該產(chǎn)業(yè)規(guī)模將增長到2035年的6070億美元。

全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)復(fù)合年均增長率自2022年至2027年為31.28%，而2027年至2035年增長為44.5%，向萬億級(jí)產(chǎn)業(yè)規(guī)模邁進(jìn)。


量子芯片的未來發(fā)展方向？

1.提高量子比特的穩(wěn)定性和可控性

很多研究機(jī)構(gòu)正在研究如何減少量子的噪聲干擾，以提高量子的穩(wěn)定性。


2.開發(fā)新型的量子芯片材料

量子芯片制造過程復(fù)雜，需要先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，為了降低成本很多研究機(jī)構(gòu)正在研究新型的量子芯片材料。


3.量子芯片計(jì)算能力的提高

目前的量子芯片只能進(jìn)行簡單的計(jì)算，為了提高量子芯片的計(jì)算能力，很多研究機(jī)構(gòu)正在研究新的量子計(jì)算算法和量子編碼技術(shù)，以便更好地實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。

未來的量子芯片領(lǐng)域有著很大的發(fā)展空間，將會(huì)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，所以量子芯片是非常具有潛力的，未來的發(fā)展前景一定會(huì)特別好。