国内首个“量子芯片冰箱”投用,量子芯片与传统芯片有何不同?竟能摆脱对光刻机的依赖?

国内首个“量子芯片冰箱”投用,量子芯片与传统芯片有何不同?竟能摆脱对光刻机的依赖?

  • 2023-03-16
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关键词: 量子芯片 硅基 晶体管

3月15日从安徽省量子计算工程研究中心获悉,中国首个量子芯片高真空存储箱研制成功,并已投入使用,科研人员形象地称其为“量子芯片冰箱”。据安徽省量子计算工程研究中心副主任贾志龙介绍,该量子芯片高真空存储箱共有三个保存腔体,单个腔体可独立操作;同时配备了智能监控系统,可实时监控真空度,为芯片保存过程提供稳定的高真空环境;研发人员还研发了人机交互功能界面,可实现设备全自动化操作。


量子芯片中的超导材料对环境敏感度较高,在制作和存储过程中如果环境不达标,就容易和空气中的氧气、水分子产生化学反应,吸附各类杂质。量子芯片关键部件约瑟夫森结、超导电容等会因此老化,导致量子比特频率一致性变差,量子芯片相干时间降低,最终影响量子芯片的性能。就像食物暴露在空气中氧化腐烂,量子芯片如果不妥善保存,也会因为“不新鲜”而无法使用。

量子技术离人类的生活已不遥远,当初电脑、手机等电子产品也被认为是只有科幻小说中才有的东西,但现在都已经成为现实。今年1月份,合肥本源量子研发出多台中国量子计算机,并成功向用户交付一台。至此,中国成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。

而量子计算机被认为是新一轮科技的战略制高点,量子芯片也被看作是“硅芯片”的下一代产品。

那么问题来了,量子芯片究竟是什么?能否带领我们突破芯片难题,摆脱“卡脖子”?


一、什么是量子芯片?

量子芯片其实就是把量子线路集成在基片上,使其具备处理量子信息和数据的能力。



量子芯片未来也要走集成化道路,这一点和传统芯片相似。不同的是,传统芯片增加的是晶体管数量,而量子芯片增加的是量子信息。

我们都知道摩尔定律,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

传统的硅基芯片一直按照摩尔定律更新迭代,但随着晶体管数量的增加,工艺制程下降至5nm、3nm时,出现了越来越严重的“量子隧穿”效应。

由于量子遂穿,导致芯片的良品率下降,漏电率提升。甚至科学家们认为1nm就是硅基芯片的尽头。

那么,与其花费大量精力解决量子隧穿问题,倒不如研发量子芯片来代替传统芯片,于是各国开始投入资金研发量子芯片。


二、量子芯片与传统芯片有哪些不同之处?

1、材料不同

传统芯片是以硅为原材料的半导体;

而量子芯片原材料则更为丰富,可以是超导体、半导体、绝缘体或者金属。


2、逻辑不同

传统芯片通过控制晶体管的电压,从而产生一个数据“0”或“1”,0表示关,1表示开。

0和1共同组成了二进制数据,它的基数为2,遵守“逢二进一”、“借一当二”的规则。计算机中所有的信息都将转化为由0和1组成的代码,然后进行存储和传输。

量子芯片的数据采用微观的量子表示,根据量子力学原理,量子数据可以表示“0”、“1”,也可以同时处于“0和1”的叠加状态。

这种叠加状态就是量子芯片的最大特色,它可以进行多路径计算,因此效率更高、结果更精确。



3、工艺不同

传统芯片首先制造晶圆,制造出来的晶圆上没有电子信息,然后在晶圆上光刻电路图,最后进行封装测试。

量子芯片先通过分子束外延生长含有二维电子的基片材料,然后再进行刻蚀,最后通过电子束蒸发金属镀膜,加上金属剥离技术,最终获得量子芯片。


4、性能不同

量子芯片的性能比传统芯片性能更强。

当传统芯片接近理论的技术瓶颈时,量子芯片可以轻松突破,并且可以再提升百倍、千倍。

做个比喻,如果传统芯片是自行车,那么量子芯片就是飞机。一台搭载50个量子的计算机,其速度可以超越神威太湖之光计算机。

总的来说,量子芯片对于传统芯片就是全面的升级,甚至是推倒重来,仅在概念和算法上模拟传统芯片。传统芯片就像砖和木头盖房子,量子芯片就是钢筋混凝土盖高楼大厦。


三、量子芯片技术有何突破?

摩尔定律说过,芯片每18个月算力提高一倍,但是现在半导体芯片的算力已经快到了摩尔定律的极限,主要原因是硅晶片单位面积承受的晶体管数量,已经到了硅分子的物理极限,所以发展新的芯片势在必行。

能超越硅基芯片的有两种芯片,一种是碳基芯片,另一种是量子芯片。

碳基芯片是因为良好的分子结构和物理性质,可折叠,单位面积可以承载更多的晶体管,散热能力强,功耗低等特点,但是碳基芯片还是属于传统半导体芯片的一种,不过目前来说碳基芯片的芯片的研究进度是不错的,代替硅基芯片的可能性是很大的,甚至说下一代芯片就是碳基芯片。

但是我们不仅要关注眼前,还要关注未来,因为未来是量子芯片的天下,各个国家对于量子芯片的研究都处于初级阶段,没有太大差距,我国目前研究出来的是6个量子比特的芯片,相比于之前3量子比特的计算能力提高了8倍之多,实现重大突破,远超欧美的水准。

因为各个国家的巨头都在加速研究量子计算机和量子芯片,比如IBM 在2016 研究出5 位量子比特的量子计算机,目前已经开始研究50位量子比特的量子计算机,而微软在 2005 年就已经开始钻研量子计算技术。

谷歌则在2014 年宣布已经建成了 9 量子比特的机器,也是可编程的量子计算机中最大的一个,2016 年用了三个超导量子比特来模拟氢分子的基态量子计算机可以做到和传统计算机一样好,前段时间公布了76量子比特机器的制造计划。



阿里巴巴则在2017 年建立多个量子安全传输域,提供安全数据传输服务;并和中科大、中国科学院、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发了世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机,2018年5月,阿里巴巴量子实验室施尧耘团队宣布成功研制当前世界最强的量子电路模拟器,名为太章。

量子计算机的计算能力是指数增长的,所以说不考虑材料的限制,量子芯片的算力是无限大的。

而未来是大数据的时代,我们每天都需要面对各种各样的数据,无人化和智能化的设备会雨后春笋般地冒出来,数据量和计算速度都是指数倍的增长,现有的算力迟早有一天会达到天花板。

不光如此,人类还需要探索外太空,我们需要对天体物理的研究有所突破,对量子力学研究有所突破,对暗物质的研究有所突破,这些都将是人类发展中面对的难题,而现在的超算的算力已经无法完成此类工作,只能用量子计算机,因为现有的量子计算机在计算单一问题早已超越了任何经典计算机。

目前还没有国家和公司制造出通用量子计算机,如果我们国家的通用量子计算机率先普及,那么在生物基因研究、航天工程、人工AI、大数据、芯片等绝大多数领域都会有所突破,这对于全世界人类的发展有着莫大的好处,也是我们为什么积极发展量子芯片和量子计算机的原因。


四、量子芯片可以摆脱EUV光刻机?

EUV光刻机是7nm及以下传统芯片的必需设备,那么量子芯片是不是也需要EUV光刻机呢?

目前对量子芯片的研究主要包括:超导量子电路、半导体量子点、离子阱、量子拓扑、金刚石空位、光量子技术。

EUV光刻机针对的是硅基芯片,而超导、金刚石、光量子显然不会用到这类设备。

此外,量子芯片不需要在基体上雕刻几百亿个晶体管,而是通过电子束外延生长量子,可以说二者的工艺并不相同,因此对光科技的需要差异很大。

量子芯片还可以使用碳基材料,而碳基芯片采用的是碳纳米管搭建技术,根本用不到光刻机。

可以说,量子芯片完全有能力绕开光刻机,使用其他的设备进行制造。即便是用到光刻机,也不需要EUV这类顶级设备。

目前,我国第一条量子芯片生产线已经搭建完毕,这条生产线中并没有出现EUV光刻机,这也恰好提供了佐证。

如果我国能够将量子芯片技术发扬光大,使其应用在更多的场景中,那么不但可以有效的提高芯片的性能,同时也能绕开EUV光刻机,彻底摆脱“卡脖子”。

安徽合肥搭建的量子芯片生产线,是我国在量子芯片领域的重大突破,同时也证明了我国有制造量子计算机的能力。

量子芯片与传统的硅基芯片制造技术并不同,可以完美的绕过EUV光刻机技术,同时将芯片的性能提升千倍、万倍。

如果我们能够打造一条完全自主的国产量子芯片产业链,那么摆脱“卡脖子”,逆袭欧美日韩,都是有可能的。

来源:网络整理