传统芯片被“卡脖子”，我国能在量子芯片上换道超车吗？
不久前，受美国对华半导体出口管制政策影响，芯片设计公司 ARM 已经拒绝向中国企业出售先进 CPU 芯片设计 IP——Neoverse V1 和V2产品，涉及包括阿里旗下芯片设计公司平头哥半导体，以及其他中国芯片企业。
众所周知，ARM 是全球第一大芯片 IP 授权服务商。它在知识产权领域排名第一，不仅占有 40%以上的市场份额，在移动 CPU 市场的占比甚至超过 90%，出品了从 IoT、手机到服务器的全系列 CPU 产品矩阵，以及 GPU 和配套的总线、接口、安全类产品。
ARM 芯片 | 图源：Unsplash
据 ARM 公司统计，全世界每一秒就有 842 颗蕴含 ARM 知识产权的芯片诞生。由此可见，ARM 公司在芯片行业可谓举足轻重。
而中国芯片设计公司大多采用 ARM 架构的设计来构建从智能手机到服务器的产品。如今，它对中国禁售先进芯片设计产品，不仅会阻碍中国芯片设计公司的“ARM 架构之路”，而且对国内芯片行业的未来发展也将产生深远影响。
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传统芯片的尽头是量子芯片吗？
芯片，既与我们日常工作生活休戚相关，也事关国家战略。于普通人而言，不仅智能手机、PC、智能手表等产品含有芯片，而且其他常见物品也内藏芯片，比如收音机里有音频芯片、微波炉里有电磁芯片、电灯里有 LED 管理芯片、洗衣机里有控制芯片，甚至连电瓶车也有功率控制芯片。可以说，从衣食住行到工作，芯片已无处不在。
芯片 | 图源：Unsplash
并且芯片还是 IT 行业的基础，IT 行业的软件、系统均构建在以芯片为核心的硬件之上，没有芯片，一切都是“空中楼阁”。
虽然芯片如此重要，国内供给却严重不足。自 2005 年以来，中国一直是世界上最大的 IC 市场，规模不断增长。据 IC Insights 的报告指出，2020 年，中国集成电路市场增至 1434 亿美元，约占全球市场的 35%。
虽然中国是集成电路最大消费国，但是中国公司出产的芯片却只占全世界产量的 5%。由于芯片自给敞口大，因此中国严重依赖进口。如 2019 年，全年进口芯片总量 4451.31 亿个，进口金额约 3055.5 亿美元，约为同期进口商品总额的 14.72%。
更关键的是，芯片关系国家战略。自中兴被“封杀”，后华为遭断供，中芯国际无法采购光刻机......中国芯片行业的种种遭遇告诉我们，关键核心技术必须实现自主，才能摆脱“卡脖子”。只有在关键核心技术方面实现自主，中国的科技发展和创新能力才能走在世界前列。
虽然传统芯片行业发展受到制约，但是在下一代芯片（即量子芯片）方面，中国却具备换道超车的机会。
量子芯片是量子计算机的关键。作为量子计算机的中央处理器，它也被称为 QPU（Quantum Processing Unit）。量子芯片集成量子计算机的运算单元——量子比特。某种程度上，一个量子芯片的制造工艺越成熟、集成的量子比特数越多，其运算能力就越强。理论上，拥有300个量子比特的量子计算机所能运算的数据量超过宇宙的原子数量总和。
量子计算机工作原理
为什么量子芯片如此重要？
一方面，传统芯片局限性愈加明显：晶体管存在极限尺寸。由于海森堡不确定原理，晶体管的尺寸不可能无限制缩小，目前存在的晶体管的尺寸已经接近物理极限。器件尺寸的减小会导致加工的难度与成本增大，等离子刻蚀机、浸润式光刻机等纳米加工设备的换代成本更是达到数百亿美元。此外，当器件尺寸达到纳米量级时，量子隧穿效应将变得非常显著，晶体管中的电流会因此变得难以控制，可能会出现的量子尺寸效应将会导致经典计算机的计算结果准确性降低。此外，上亿个 CMOS 器件在一个芯片上高速工作将会导致严重的发热问题，这都将大大降低器件的稳定性。
另一方面，随着数字化不断深入，数据爆炸式增长，对算力提升的需求无止境。借鉴于传统计算机的发展历程，量子计算机的研究在克服瓶颈技术之后，要想实现商品化和产业升级，需要走集成化的道路。而量子芯片在后摩尔时代有望打破算力瓶颈，成为重要突破口。
02
量子芯片，“换道超车”的重大机遇？
目前，中国与欧美在量子芯片领域的差距，主要是由于中国做量子芯片的时间太短。诸多工程实现，不是因为在原理或科学认知上存在欠缺，而是缺乏工程知识和经验的长期积累，这需要时间来解决。
IBM 量子芯片 Osprey | 图源：IBM 官网
从工程上来说，量子芯片的技术路线并不神秘，比如如何设计芯片是最优的？具体的技术参数是什么？但是，一旦具体到如何实现这些技术参数，需要靠不断实践和积累，才能提升芯片加工工艺。
我们知道，传统芯片良品率高达90%多，但是对量子芯片来说，挑战更大，因为很多加工工艺的技术细节，需要自己去摸索。如果某一项技术细节不过关，整个芯片良品率都会受到影响，从而限制比特数的增加。
此外，在量子计算机领域，整个产业链分工没有经典计算机那般成熟。这也倒逼主流玩家对全链条进行布局。
鉴于量子计算的重要性和发展情况，中国政府过去数年不断加大对量子技术领域的投资。“十四五”规划明确指出，将以年均 7%以上的速度增加研发投入，并将人工智能、半导体以及量子技术作为重要领域。2022年12月举行的中央经济工作会议明确指出，“加快新能源、人工智能、生物制造、绿色低碳、量子计算等前沿技术研发和应用推广”。量子计算成为单列的前沿技术方向，而不再从属于量子科技，再次强调了其重要地位。
在相关政策的推动之下，中国的量子计算也取得了不少进展。比如超导方面，中国科大的 66 量子比特“祖冲之号”实现量子计算优越性，计算复杂度比谷歌“悬铃木”提高了 6 个数量级；中国科学技术大学的潘建伟、赵博和美国哈佛大学的 John Doyle 等科学家创造了第一个超冷多原子分子；清华大学邓东灵、浙江大学王浩华等学者展示了一款 121 比特超导量子处理器，刷新了国内量子比特数目的纪录。
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换道超车：工程化积累，全链条研发是关键
目前，量子计算机主要有六大路线：超导、半导体、离子阱、光量子、拓扑和中性原子。
量子计算机技术路线
超导量子芯片的生产流程与传统芯片差异不大，同样分为设计、流片、封装测试、系统集成和量子算法。其所需设备与传统芯片可以通用，工艺上没有根本性差别。因此，在几十几百比特量级上，芯片设计不存在很大的问题，难点主要集中在加工工艺上。工艺的迭代是一个很复杂的过程，里面有很多不可控的因素，需要尝试非常多的参数。
超导量子芯片生产流程
作为一家致力于量子计算产业化和普惠化的一站式解决方案服务商，超导量子芯片的研发探索，是量旋科技“核磁+超导”双轮驱动战略的重要组成部分。目前，量旋科技不仅已经完成了实用型超导芯片量子计算机的原型机、超导量子芯片和射频测控系统的研发，还完成了量子云平台、量子操作系统及应用软件的开发。
除此之外，公司还投资近亿元，建立了专门的量子芯片加工实验室，可以进一步支持超导量子芯片的加工制作，全方位推进自主可控的全链条一体化战略。
公司创始人、CEO 项金根曾表示，“对国内量子计算产业从业者来说，建立专门的量子芯片加工实验室是很重要的。一方面，国内原本在半导体领域的积累就少；另一方面，国内少有专门进行量子芯片加工的实验室，即使有实验室，但不一定专门给量子计算团队使用，可能也用于半导体加工，如此，仪器的稳定性和对整个工艺的摸索就会受到一定影响。有了专门的量子芯片加工实验室，才有可能摸索出一套成熟的芯片加工工艺，继而制造出稳定可靠的量子芯片。”
量子计算发展到现在，已经来到被称为“含噪声的中型量子时代”（NISQ），尽管各种技术路线都才刚起步，但已经可以逐步演示量子计算相对于经典计算的优越性了。作为量子计算机的关键一环，量子芯片的自主可控，不仅意味着核心关键技术掌握在自己手里，而且有利于实现全产业链的自主化。
未来，以量旋科技为代表的量子计算创业公司，将会持续完善包括超导量子芯片、量子EDA、射频测控系统等各环节的技术研发和打磨，全面推进全链条一体化战略，为量子计算产业化的发展贡献力量。
关于量旋科技
量旋科技成立于 2018 年，是一家致力于量子计算产业化和普惠化的一站式解决方案服务商，在技术研发和商业落地“双轮驱动”的战略下，依托实用型超导芯片量子计算机、桌面型核磁共振量子计算机、通用量子计算云平台和应用软件进行产业布局，赋能科研教学、药物研发、金融科技、人工智能等诸多前沿领域，跟合作伙伴共建场景化解决方案，使量子计算走进千行百业，成为真正的生产力工具。
公司拥有一支兼具国际化视野和本土工程化经验的核心创始团队，成员由来自于哈佛大学、麻省理工大学、清华大学、中国科学技术大学、香港科技大学等国内外顶级科研院校的量子计算专家组成，在量子计算机的硬件、软件及算法等核心技术上，有着深厚积累。目前，量旋科技已经推出了桌面型核磁共振量子计算机“双子座”、“三角座”、“双子座 Mini”，取得海内外的广泛销售和绝对领先。此外，公司还推出量子软件编程框架 SpinQKit 和量子计算云平台“金牛座”，完成实用型超导芯片量子计算机原型机、超导量子芯片和射频测控系统的研发，提供从软硬件产品到应用服务的一站式解决方案。
未来，量旋科技将持续推进量子计算产品的迭代创新、自主可控的全链条一体化研发，为用户提供稳定、易用和高可用性的量子计算全套解决方案，为量子计算的普及贡献力量。
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