我国光量子芯片喜报频传，EUV光刻机成“弃子”？

犹记得18/19年的时候，国内科技圈最流行的词莫过于“弯道超车”，其中芯片产业和这个词结合的最紧密且最频繁。时至今日，当越来越多的国产半导体公司沉下心做芯片的时候，“弯道超车”这个词反而提的不那么勤了。大概是因为，学到知羞处，方知艺不精。
 
国产芯片产业被美政府针对之后，短板完全暴露出来，EDA设计软件、半导体材料、EUV光刻机等纷纷成为了“卡脖子”环节。在美政府“枪打出头鸟”的方针下，大部分有志向的半导体企业都选择韬光养晦、卧薪尝胆式的发展策略。
 
国产芯片的产业姿态这一两年确实放的很低，但“弯道超车”这个想法和实践实际上一刻也没有断过，通过量子通信技术改变传统芯片产业生态就是一个很重要的尝试。
 

 

郭光灿院士团队新进展

近日，中科大郭光灿院士团队在量子存储及量子网络研究中取得原创性进展，该成果于7月19日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。从细节上看，该成果是一份光子回波方面的创新，申请了“无噪声光子回波”的发明专利，能够用于我国具有自主知识产权的原创性量子存储方案。
 
在实现方式上，该方案创造性地结合了不同频的控制脉冲以及两次重聚过程，使得发射光子回波的上能级与残留布居的上能级是不同能级，所以可通过频谱滤波严格消除自发辐射噪声，解决了光子回波发射的上能级与残留布居的上能级是同一能级必然被污染的问题，让该技术能够用于量子领域。
 
《自然·通讯》审稿人认为，该方案是通往高性能量子存储器的一项重要进展。
 

全新的芯片赛道

一直以来，量子芯片被认为是国产芯片不容错过的历史性机遇。从定义上，量子芯片就是将量子线路集成在基片上，进而承载量子信息处理的功能，被认为是“未来计算机”的“大脑”。当然，传统芯片向量子芯片的转变并非是一蹴而就的，期间经历了多个阶段。
 
首先是半导体量子点技术的提出。半导体量子点的核心理论是一个单量子比特逻辑门操控和一个两量子比特受控非门可以组合任意一个普适量子逻辑门操控，这种方式具有操控方便、速度超快、可集成化、并兼容传统半导体电子技术等重要优点，为研制实用化半导体量子计算打下了基础。
 
不过，半导体量子点技术也有弊端，其是利用相邻量子点量子比特之间的交换相互作用来实现多比特的量子逻辑门操作，非近邻量子比特之间的逻辑门操作需要通过一系列近邻门操作组合完成，这大大增加了计算过程中逻辑门操作的数量和难度。
 
在半导体量子点之后，超导量子比特系统成为了主流。后者采用超导传输谐振腔等概念来实现半导体量子点非近邻量子比特耦合的量子数据总线，解决了非相邻量子点之间的信息传输问题。
 
目前，国内已经有企业在致力于将超导量子比特系统产业链完全打通。前不久，合肥本源量子与合肥晶合集成电路公司签署合作协议，双方将共同建设本源-晶合量子芯片联合实验室，致力于实现从量子芯片设计到封装测试的全链条开发。目前，该公司已经推出了两款超导量子芯片，分别是6比特的夸父KF C6-130和24比特的夸父KF C24-300。
 

夸父 KF C24-300（图源：本源量子官网）

 
然后回到我们本文的主题，郭光灿院士团队通过“无噪声光子回波”技术推动了光量子比特在量子存储方面的进步，为光量子芯片的实现扫清了又一个重要障碍。量子有很多晦涩难懂的理论，包括量子叠加、量子坍塌和量子纠缠等等。其中，量子计算要实现信息处理就需要实现量子纠缠，而且纠缠的数量越多越好。而量子存储则是通过光量子来传输信息，通过原子来存储信息，基于光量子回波技术的存储主要是利用受控可逆非均匀展宽的原理，介质在完全吸收光信号之后，一段时间后释放出相同量子态的回波信号。而原来的方案必然会出现噪声污染的问题，最终导致信息失真，郭光灿院士团队正是解决了这个难题。
 
近几年，郭光灿院士团队在光量子芯片领域屡获突破。就在前不久，该团队在《物理评论快报》上发表研究成果，基于光子能谷霍尔效应，在能谷相关拓扑绝缘体芯片结构中实现了量子干涉。
 
除了郭光灿院士团队，上海交通大学金贤敏团队也是我国光量子芯片领域的代表团队。也是在数天前，金贤敏团队提出了首个基于光子集成芯片的物理系统可扩展的专用光量子计算方案，并首次在实验中实现了“快速到达”问题的量子加速算法。
 
随着光量子技术路线上的难题一个个攻破，芯片产业有望打造出一条不再需要EUV光刻机的演进路线。在此，需要提到光量子芯片和电子芯片的差别。电子芯片的推进是将晶体管越做越小，追求在单位芯片面积上实现更高的系统性能，因此电子芯片制造工艺会沿着14nm、10nm、7nm、5nm一直向下延伸。而到了7nm及以下工艺时，EUV光刻机是不可或缺的，因此当EUV光刻机成为“卡脖子”环节后，我国在电子芯片制造领域是无法进入7nm以下的。
 
与之相比，光量子芯片本身由于传输介质原因，会具有高速度、低功耗和抗干扰的优势，同时光量子芯片并不追求极限的先进制造工艺，成熟工艺就能够发挥出系统高性能的优势，在计算、传输、存储和显示等领域被广泛看好。
 

从概念到落地

量子通信技术在我国受到高度重视，而目前大部分的研究都是基于量子纠缠理论的光量子通信技术。学术端一次又一次从技术角度解决了光量子相关的技术难题，但要实现落地还是需要产业界的参与。
 
从进度来看，目前我国在量子保密通信领域已经开始产业化，处于国际领先水平。2017 年 9 月，全球首条量子保密通信干线——京沪干线就已经正式开通。未来，这样的通信保密技术将在军民领域发展巨大作用。目前，国内已经有一大批上市公司被纳入“量子通信”概念股，包括亚光科技、国盾电子、亨通光电和中国长城等。
 
而在芯片领域，我们已经看到了光量子芯片的潜力，看到了一种“弯道超车”的机会。当然，也有人说当大家都在高速运行时，弯道是不能超车的，换道才可以。目前，国内已经有企业在沉心做量子芯片，如若这些企业的愿景最终实现了，那么我们确实开辟出了一道新的赛道。