以半導體芯片為核心的計算機的發明成就了現代信息技術產業的高速發展，深刻改變了人類的社會活動形式。

特邀作者：?夏春秋

清華大學 集成電路學院

隨著摩爾定律的放緩，芯片正朝著復雜的系統級創新發展，以滿足功率和性能要求。有一個方向格外的引人注目，那就是曾經夢想的量子計算，如今正在成為現實。量子計算是芯片尺寸突破經典物理極限的必然產物，是后摩爾時代具有標志性的技術，信息的量子化趨勢不可避免。

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量子計算機的基本原理

量子計算機利用量子疊加和量子糾纏來對信息執行編碼、邏輯運算、存儲及處理，其最核心的是來自于量子的相干性（coherence），這個是物理層面上的，經典的計算機是永遠也不可能有這種相干性的。

量子疊加指一個量子比特同時具備0和1的兩種狀態，表示為α|0+β|1，其中|α|2+|β|2=1，它實現形式有光子的不同偏振態，核子和電子的自旋，電子繞單原子核的運動狀態，超導體中的電流電荷等。量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨立的其他量子比特共享自身狀態，創造出一種超級疊加，實現量子并行計算，其計算能力可隨著量子比特位數的增加呈指數增長。

量子比特可以構成量子邏輯門，對于單比特量子邏輯門有以下特性：單比特量子邏輯門可用2×2矩陣表示；此矩陣必須是酉陣（unitary），且酉為唯一的限制；任何一個2×2的酉矩陣都構成一量子門；種類分為X、Y、Z、Hadamard門等。雙比特量子門有CNOT門、SWAP門等。

整體量子系統的工作狀態簡圖如下所示：

量子計算機意義與量子霸權

從上個世紀的Shor算法(解決大數因數分解問題，可以快速破解經典加密里常用的RSA密鑰，量子算法來源于此)，Grover搜索算法(可用于數據庫搜索)，到近些年的HHL算法(用于量子機器學習，從金融交易到交通規劃再到等離子體模擬等)，各種各樣的量子算法層出不窮，除此之外量子系統還在生物制藥化學分析乃至能源等方面有著重要的意義。下圖是麥肯錫評估的量子計算可以為各行業貢獻的市場份額圖，可見一斑。

量子計算機最被人津津樂道的就是量子霸權，它是指量子計算擁有的超越所有經典計算機的計算能力。以一項最新的科技進展為例，對于鐵氧還蛋白在光合作用中的新城代謝反應的分子動力學模擬，使用量子計算機將計算的復雜度從O(N 11)降低到O(N 3)，所需的時間從兩千四百萬年降低至一個小時！

同時由于量子計算都是可逆的幺正計算（unitary operator），也就是說只有在一次量子計算結束時（測量量子態時）才會出現熵增。這將大大減少量子計算本身所消耗的能量。

這些巨大的優勢讓量子技術已成為最受關注的科技進展之一，列舉近些年與量子技術相關的諾貝爾獎：（量子相干）2005年，“對光學相干的量子理論的貢獻”和對基于激光的精密光譜學發展。（單量子操控）2012年，“能夠測量和操控單個量子體系的開拓性實驗方法”。（拓撲量子計算）2016年，在理論上發現了物質的拓撲相變和拓撲相。2020年諾貝爾物理學獎獲得者羅杰·彭羅斯提出大腦進行信息的量子相干處理即一種“量子計算”。

但是，量子計算的應用對物理系統的要求很高。量子比特很脆弱，不像mos晶體管可以簡單集成到芯片上，量子系統往往需要特別低的溫度，非常精細的控制，與環境的足夠隔絕等。這就對目前量子系統工作環境下的計算電路提出了技術要求。

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世界科企先進進展

量子技術一直備受世界各國的科技工作者和企業的重點關注。量子計算領域典型創業公司主要以歐美國家為主導。

不同公司采用的量子雙態（二能級）固體系統也不同，目前國際各大公司量子計算的載體使用情況為：谷歌和IBM選擇了比較主流的超導量子電路；Intel采用硅量子點；微軟和貝爾實驗室使用拓撲量子位；量子計算初創企業i onQ選擇的是離子阱；Quantum Diamond Technologies采用鉆石空位。

谷歌&D-Wave

2013年05月，谷歌宣布以1500萬美元購買D-Wave公司。2014年9月谷歌宣布建造基于超導電子學的超快量子芯片。2015年8月谷歌宣稱D-Wave公司D-Wave Two型的512 位的量子芯片問世。2017年1月D-Wave公司宣布他們新的2000個超導量子比特的商用量子計算機。谷歌2018年3月展示的72位超導量子比特芯片。

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Intel

Intel在2017年10月宣稱了17量子位超導測試芯片交付于荷蘭合作伙伴 QuTech。2018年1月Intel在電子產品展覽會(CES)上宣布開始制造并交付49量子比特（qubit）的超導量子芯片。2020年4月，Intel與QuTech合作，在nature上展示了在高于1K的溫度下成功控制了“熱”量子比特，該研究還強調了對兩個量子位的個體相干控制，單量子位保真度高達 99.3%，這些突破突顯了未來量子系統的低溫控制以及與單電子晶體管非常相似的硅自旋量子位在集成封裝中的潛力。2020年12月，Intel推出了第二代低溫控制芯片 Horse Ridge II，支持增強功能和更高水平的集成，以實現對量子系統的優雅控制，新功能包括操縱和讀取量子比特狀態，擁有控制糾纏多個量子比特所需的多個門的潛力。

2022年3月在美國物理學會（APS）的會議上，Intel介紹了公司最新發表的14篇論文成果，并透露了公司的量子戰略計劃。在Intel看來，實用的量子計算未來還有很長的路要走，可能長達十年左右，所以他們不打算提供面向NISQ的應用程序產品。作為經典計算微處理器領導者，圍繞開發量子計算相關工程復雜性，Intel制定了長期路線圖：致力于面向未來提供強大的量子處理器芯片和糾錯功能。

Intel表示，他們在量子計算競賽中的最大優勢，是利用硅晶體管構建高性能計算模塊方面的能力。相比超導量子比特，自旋量子比特有著顯著優勢，例如每個量子比特的裸片面積縮小了幾個數量級，并且基于自旋量子比特技術，Intel可以通過自家芯片晶圓廠來生產該芯片，而不需要再安裝新的制造設備。

與其他團隊使用電子束光刻、原子層沉積和剝離硅處理器等技術不同，Intel采用的是先進的標準EUV（極紫外）光學光刻、等離子蝕刻、CMP（化學機械拋光）以及大規模193nm光刻工藝構建硅基自旋量子比特芯片，Intel的先進制造方法已具備了高產量、高精度、低污染、高勻度、高再生性優勢。

目前，Intel已自研了軟件開發工具包（SDK）、帶有基于LLVM架構的C++編譯器和系統軟件工作流程，旨在高效執行經典/量子變分算法。其中，優化的編譯器可接管用戶程序并以最有效的方式將其編譯為處理器的原始門集，從而控制經典處理器和量子處理器之間的所有交互，實現高效協作。SDK支持用戶像開發一些不同的模擬器一樣開發量子點芯片。同時，Intel的軟件團隊也在研究如何在基于自旋量子比特的量子處理器上運行這些算法。

? IBM

IBM于2016年5月發布了5個量子位的IBM Quantum Experience量子云計算，于2017年5月宣布已經建立16個量子比特的Quantum Experience通用計算機和一個17量子比特的商業處理器原型。2017年11月IBM 發布消息稱已經構建成功 50量子比特的量子計算處理器的樣機,將使用在下一代的IBMQ系統中,提供給客戶。12月宣布將與包括三星、摩根大通和巴克萊銀行在內的12家主要公司合作，開發商用量子計算。

在2019年國際消費電子展（CES）上，IBM推出全球首臺量子計算一體機Q System One，稱其為“世界上第一個專為科學和商業用途設計的集成通用近似量子計算系統”。IBM認為，衡量一個量子設備的性能不僅要看量子比特的數量，還要考慮量子比特的連通性（Connectivity），門的測量誤差(Measurement Errors)，相干時間(Coherence Times)的增加，設備串擾(Device Crosstalk)的減少，以及軟件對電路編譯效率(Compiler Efficiency)的改進等多方面，因此IBM提出了一個全新的針對量子系統的度量標準——量子體積（Quantum Volume）。2020年8月，IBM表示其最新的27位量子比特系統Montreal達到了64QV；僅4個月后，IBM量子計算副總裁Jay Gambetta在推特上宣布，其最新量子計算系統IBM Q System One-Montreal達到了128QV，比四個月前又翻了一倍。新系統的快速推出，得益于硬件設計的改進和新的“目標旋轉”（Target Rotary）脈沖技術，目標旋轉增加了兩個量子糾纏操作的保真度，同時減少了相鄰量子比特的錯誤。同年8月IBM發布：包含64位量子比特的Falcon芯片。

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2022年5月，IBM更新了其量子計算路線圖，計劃創建一個新的量子處理器以及量子軟件和服務模式，從而實現下一代——以量子為中心的超級計算機，并圍繞量子處理器、CPU和GPU組合的新資源來解決世界上一些最具挑戰性的問題。

要實現構建以量子為中心的超級計算機的最終目標，IBM必須在其路線圖中解決幾個挑戰問題：1.擴展動態電路的使用。由于動態電路需要控制系統允許數據以足夠低的延遲移動、實時處理，IBM必須設計出第三代控制系統以滿足低延遲需求。2.新語言。IBM需要開發出新的語言，從而允許用戶描述實時經典計算與量子門的組合。在量子社區的幫助下，IBM正在努力開發一種用于描述新電路的OpenQASM 3語言。3.新編譯器技術。IBM需要開發出新的編譯器技術以將OpenQASM 3電路轉換為允許其在控制系統上運行的形式。4.容錯量子計算。要成功擴展到數十萬個量子比特，IBM將必須具備量子糾錯能力。

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國內量子電路進展

企業方面，2015年08月，中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室在上海成立。2017年12月，騰訊籌劃許久的量子實驗室曝光。2017年12月，北京量子信息科學研究院在北京中關村軟件園成立，旨在推動中國搶占全球量子信息技術制高點，中國科學院院士薛其坤當選研究院院長。2018年3月，百度宣布成立量子計算研究所，開展量子計算軟件和信息技術應用業務研究。

科研方面，2016年8月墨子號量子科學實驗衛星在酒泉用長征二號丁運載火箭成功發射升空。2017年6月中國利用墨子號量子科學實驗衛星，在國際上率先實現千公里級的量子糾纏分發。2021年，中科院研制的66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之2.0”問世，通過操縱其上的56個量子比特，在隨機線路采樣任務上實現了量子計算優越性。隨后研制的升級版的光量子計算原型機“九章2.0”對于高斯玻色采樣問題，具有了部分可編程能力，其一分鐘完成的任務，目前最強大的超算需要耗費億年的時間。

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總結

超導及其固態量子相干電路經過近20年的發展，從簡單物理現象的演示發展到需要有微電子工程技術介入的階段。

未來需要持續關注并解決的問題主要集中在一下方面：1進一步發展基礎理論解決量子相干問題。2電路大規模集成的物理可靠性分析和工程技術問題評估。3量子計算基本理論實現的硬件設計及電路設計。4針對超導電路特點進行容錯量子糾錯碼優化設計.5利用超導量子比特的多樣性設計建立拓撲量子計算模型.6量子仿真、退火、機器學習、玻色采樣等中重大問題的確立。7信息的存儲。

當今世界各主要大國在量子計算研發方面投入了巨資，這一領域具有廣闊的前景，無論是在國家、經濟、科技、軍事、安全等方面都有著非同凡響的意義，希望未來能夠將有關量子計算的幻想變成真正顛覆性的技術！

編輯：黃飛

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