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光量子芯片,中國或将迎來新機遇

時間:2022-5-16 10:56:00
摘要: 近年來,光量子計算中興起了一種使用光纖作為光量子的内存,進而用光量子内存來提升容錯量子計算的量子比特數目的方法。

後摩爾時代,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光量子計算機。

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

4月19日荷蘭政府将通過國家基金并動員其他私營部門機構,向該國光子集成電路(PIC)產業投入11億歐元,推動本土企業發展。

4月26日據外媒報道,由德國初創企業Q.ANT牽頭,14家合作夥伴組成“PhoQuant”項目,目前正在開展可在常溫下運行的光量子計算芯片研發。

究竟是什麽原因讓各國紛紛投入光量子芯片的研發?

近年來,光量子計算中興起了一種使用光纖作為光量子的内存,進而用光量子内存來提升容錯量子計算的量子比特數目的方法。

随着集成電路技術逐漸接近原子極限,量子計算被認為是後摩爾時代最具潛力的破局者。相比經典電子計算機,量子計算可以提供指數級的算力提升,從而突破目前日益復雜的金融模型計算、生物醫藥、材料設計和人工智能等領域的算力瓶頸。

今年2月,國防科技大學計算機學院QUANTA團隊,聯合軍事科學院、中山大學等國内外單位,研發出一款新型可編程矽基光量子計算芯片,實現了多種圖論問題的量子算法求解,被外界認為是繞開光刻機的辦法之一,而美國卻眼熱要求技術共享。

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

一旦光量子芯片成功商用,諸如7nm、5nm等制程工藝的研究将失去原有的意義,芯片制造領域也将邁進一個新的裏程,我們将突破芯片制造被卡脖子的困境。

光量子芯片的研發和制作,并不依賴西方的高端光刻機,一旦該技術研制成功,并且走向成熟,我們将徹底打破被西方卡脖子的局面。甚至在該領域,乃至未來全球的芯片市場,我們都能占據優勢。

量子領域重大突破的消息意味着,未來我國不僅将重點發展新型碳基芯片,還将加大量子芯片技術的研發力度,作為未來中國芯片科技發展的新方向。

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就是可以不借助于光刻機。

在制造原理上光量子芯片和傳統芯片有很大的區別,因為光量子芯片主要由數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,但是對加工設備的要求并不像加工傳統芯片那樣嚴格,只需要借助低端的光刻機就可以完成。

其次光量子芯片跟傳統芯片相比優勢格外明顯,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間,而且光量子芯片對外界的抗幹擾性更強,兼容性更好,操控精度更加準确,是未來芯片主流的發展方向。

光量子芯片可通過一種動态編程結構,實現芯片結構的重新建立解決了定點搜索等復雜的算法問題,顯示了其在實現特定量子計算應用方面的巨大潛力。

PsiQuantum重磅論文解讀光量子通用計算方案

在美國著名光量子計算公司PsiQuantum發表的論文中提到兩種方案:模塊化的容錯光量子計算的架構和時分復用的方法。

模塊化的容錯光量子計算的架構,第一次完整展示了其走向百萬光量子比特的技術路線,印證了新一代具備光子處理模塊,數字處理模塊和光纖内存的光量子計算架構的可擴展性和先進性。

在超導技術路線中,量子比特一般是以陣列的方式呈現,可以長時間存儲量子信息,并對其進行門操作和測量。而光量子的相幹性優異,但是飛行光子的缺點是易損耗,測量完之後即被銷毀。因此PsiQuantum此前研究了更适合光量子的容錯計算的方式,也就是基于融合的量子計算。

在光子FBQC架構中,有兩個核心設備:資源态生成器(resource-state generators,RSG),用于周期性生成少量光子的糾纏組成的資源态(resource state),或者說小規模的簇态(cluster state);融合設備(fusion devices),通過對兩個或多個資源态,進行少量光子糾纏的測量,并把這些資源态融合成更大的簇态。

有了以上兩種設備還不夠,要進一步擴大這種光量子計算的量子比特規模還需要采用時分復用方法,這種方法構建了“光纖内存”這一重要模塊。如果我們用時分復用的方式,每1ns有一個光子進入光纖,那麽1公裏的光纖内存可以暫态存儲超過5000個光子。低損耗光纖是光量子計算架構中負責提供大容量量子内存的核心部件。簡單來說一個光子在低損耗光纖裏傳輸1公裏,仍舊有超過95%的概率幾個毫秒後從光纖的另一端出來,這樣的損耗率可以用容錯FBQC來解決。

通過結合RSG、融合設備和光纖内存的架構設計,就可以實現具備容錯量子計算的數千個物理量子比特的計算能力。另一方面,把多個RSG連接成網絡就可以實現完整的通用邏輯門計算。同樣的規模在靜态量子比特中,比如超導量子比特,需要每個RSG有5000個物理量子比特作為數據存儲才能實現。

RSG等設備對應的就是光子處理模塊部分,而融合設備等對應的是數字處理模塊,最後采用時分復用的光纖作為内存。

最後,PsiQuantum的論文研究了光子FBQC,光纖内存和拓撲容錯協議之間的結合,同時達到以下三個目标:

1. 單個RSG比一個靜态量子位要強大得多。通過在低損耗介質(如光纖)中臨時存儲光子資源狀态,RSG中可以同時存在多達數千個現有的資源狀态。這使得每個RSG能夠模拟數以千計的靜态物理量子比特,以實現容錯的量子計算。

2. 光子FBQC的架構是高度模塊化和可擴展的。大規模容錯量子計算機可以通過使用相同計算模塊組成網絡而構建出來。模塊由一些融合設備和宏觀光纖延遲組成,這些延遲用來做存儲器,并在模塊之間進行連接。因此,在擴展這樣的量子計算機時,主要的挑戰是構建許多相同的RSG,而不是一大堆靜态量子位。RSG提供了一種替代方法,可以用來擴大非光子物理基礎器件的量子比特規模,如固态量子比特等。只要能夠轉化到合适的光子,就可以将它們作為嵌入大規模光子體系結構中的自主操作的RSG來使用。

3. 模塊化組件之間的宏觀光學連接可以降低邏輯操作的成本。RSG產生的光子可以傳播很遠的距離,而且不像傳統架構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,能更有效地實現邏輯操作。

中國自主造芯,使命必達

目前正在研制的可編程光量子芯片是一個全新的領域,各國都在同一個起跑線,這無疑需要面臨着很大的風險,但國家依舊堅持于此技術的研究,其主要原因有三個:

其一,量子技術是未來推動社會發展的主要動力,對光量子芯片的研究,可以促進量子技術的研究,有可能領先其他國家一步,打開量子時代的大門。

其二,目前使用的芯片主要都是由西方國家生產的,所有關鍵的技術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的,為了不讓自己的安全受制于人,發展屬于我們自己的芯片是一個勢在必行的舉措。

其三,光量子芯片的研發不僅僅是規避西方國家技術封鎖的舉措,更是關乎到國家的安全以及參與到新時代的發展。可編程光量子技術的突破顯示了我們國家雄厚的科技實力,一旦光量子芯片在國内實現完全的量產,那麽西方将不再有機會對我們的芯片技術造成封鎖,彼時我們将成為掌握“芯”時代關鍵技術的“造芯強國”。

全球都在戰略布局,争奪未來量子計算的制高點,這一領域,中國不能輸。

光量子芯片的未來發展

數據處理:從戰略安全和發展戰略要求的角度來看,光量子芯片可以解決主要應用中的許多重要問題,如數據處理方法耗時長、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标的長距離、高速運動的毫米波雷達中,以及在以生物技術和納米技術組件内部結構完成的高分辨無損檢測技術的新型測量顯微鏡相關成像武器裝備中,光量子芯片可以充分發揮其高速并行處理、低功耗和小型化的優勢。

激光通信:室内空間激光通信是目前解決室内空間傳輸速度短的關鍵途徑,是打造綜合網絡信息的關鍵途徑;水下激光通信是解決水下數據信号傳輸環境危害的關鍵途徑,也是構建一體化水下通信系統的關鍵途徑。此外,還有具有戰略安全和發展戰略要求的行業,如星間互聯網技術、8G通信、智能遙感技術測繪工程等。所有這些都必須進行互聯網大數據的快速、功耗和并行處理。光量子芯片将在這一戰略性產業中發揮關鍵支撐作用。

算法優化:AI光量子芯片是一種匹配光學測量框架縱橫比和人工智能技術優化算法的芯片設計。具有廣泛應用于無人駕駛、安全監控系統、語音識別技術、圖像識別技術、診療、手機遊戲、虛拟現實技術、工業互聯網、公司級服務器、大數據中心等重要人工智能技術行業的發展潛力。

人工智能:類腦光量子芯片可以模拟和模拟人腦的計算,在模拟人腦的神經網絡架構下,根據光量子帶的信息内容求解數據信息,使芯片可以實現類似人腦的快速并行處理和功耗計算。将微結構光量子集集成到基礎光量子芯片和基于電子光學的神經網絡數據處理系統中,對于解決未來功耗、高速運行、寬帶網絡和大量信息資源管理等問題具有重要意義。

互聯網:每個人對計算機解決方案系統軟件的計算速率和速度都有越來越高的要求。破壞性創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。光量子測量芯片具有并行處理速度快、功耗低的優點,被認為是未來高速、大信息量和人工智能技術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共享,後有各國紛紛布局。

後摩爾的一個時代全球缺芯的局面,給了中國的光芯片一個嶄新的舞台。當各個國家開始意識到光芯片的重要程度時,我們已經對光芯片技術完成了突破,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,技術壁壘還沒有形成,作為未來信息領域新的支撐,誰掌握了光量子芯片的核心技術,誰就會成為未來領導者,現在看來,中國很有可能。”

縱有千古英雄事,橫有人才守八方。

2022年以來,中國捷報頻傳,不管是全球物理學盛會上阿裏的達摩院量子實驗室公布的兩比特的量子芯片技術,還是近日南科大量子科學與工程研究院彭亞濤副研究員在量子計算超低溫集成電路技術研究方面取得重要突破,或是國内首家光量子芯片和光量子計算機公司圖靈量子近日宣布完成近億元人民币天使輪融資,都意味着中國科學家為了中國在量子芯片領域有更大的發言權和制高點而作出艱辛努力。

任何一家企業都不應該放棄技術創新,我國面對着非常復雜的市場環境,依舊采取了技術創新的發展方案。當技術水平越來越高時,外界打壓只會變成國内科學技術發展的動力。我們期待國内芯片技術的發展,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第四次科技革命,我們的科學家正在全力以赴“保家衛國”。
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