与非网 11 月 3 日讯,量子芯片作为量子计算机最核心的部分,是执行量子计算和量子信息处理的硬件装置。但由于量子计算遵循量子力学的规律和属性,传统的经典集成电路芯片而言,量子芯片在材料、工艺、设计、制造、封测等方面的要求和实现路径上都存在一定差异。

 

两种主流实现方式

经典集成电路芯片通过一个个晶体管构建经典比特,二进制信息单元即经典比特,基于半导体制造工艺,采用硅、砷化镓、锗等半导体作为材料。而量子芯片采用 2 个量子状态来叠加及纠缠,用以执行以量子比特为基础的运算,因此只要物质的物理性质具有两个易于操作的量子态,都有可能成为量子比特的制作基础,类似经典集成电路芯片中高低电平代表的“1”与“0”。

 

根据构建量子比特所采用的不同物理体系,量子比特在物理实现方式上包括超导量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。开发与现代半导体工艺兼容的电控量子芯片是量子计算机研制的重要方向之一,半导体量子点和超导量子电路技术被视为最有可能实现大规模集成量子信息处理器的物理方案。

 

经典集成电路芯片包括数字和模拟芯片,量子芯片可以视为一种模拟芯片,主要采用的制程在 100nm 左右,但与经典集成电路芯片最大的不同在于制造的工艺与材料不同。

 

其中,超导量子芯片利用约瑟夫森结构成的超导电路来实现二能级系统,主流材料是铝,通过在铝膜上刻蚀电路形状,用微波信号实现对其控制。半导体量子芯片是在传统的半导体微电子制造工艺基础上,寻找到能够实现控制的电子,通过控制电子的多个自由度实现二能级系统。

 

半导体量子芯片可以很好地结合和利用现代成熟的半导体微电子制造工艺,通过纯电控的方式制备、操控与读取量子比特更具灵活性。与现代大规模集成电路类似,半导体量子芯片具有良好的可扩展、可集成特性,被认为是未来实现大规模实用化量子计算的最佳候选体系之一。

 

超导量子芯片具有如下优势:一是操作数大,超导量子比特相干时间长,操作速度快,保真度高,总体能够实现上千次操作。二是工艺成熟,相对其他固态量子芯片体系,超导量子比特受材料缺陷的影响更小,利用成熟的纳米加工技术,可以实现大批量生产。三是可扩展性好,超导量子比特结构简单,调控方便,极易扩展。

 

目前,全球领先的量子计算技术主要掌握在美国、澳大利亚、日本和中国等高校和企业手中。谷歌和 IBM 都推出了超导量子芯片,英特尔、澳大利亚新南威尔士大学和荷兰代尔夫特大学推出了半导体量子芯片。我国量子计算领军企业本源量子目前开发出第一代半导体 2 比特量子处理器玄微 XW B2-100、第一代超导 6 比特夸父量子处理器 KF C6-130。

 

硅材料纯度要求更高 

传统集成电路芯片主要指经典计算机的硅基半导体芯片,它基于半导体制造工艺,采用硅、砷化镓、锗等半导体材料。

 

实现对于量子芯片中的量子比特的精确控制,对环境要求苛刻,不仅要超低温,还要“超洁净”,极其微弱的噪声、振动、电磁波和微小杂质颗粒都会扰乱信号,这对于量子芯片的材料和设计提出了更高的要求。

 

据本源量子副总裁赵勇杰介绍,在硅材料纯度上,相较于经典芯片而言,量子芯片的要求更高。比如常规硅片中含有大量的硅 28 和少量的硅 29 同位素,由于硅 29 的核自旋可以影响硅基半导体量子芯片中电子的自旋,因此在半导体量子芯片应用中需要在硅材料提纯硅 28,去除其中的硅 29。

 

电磁场对于半导体以及超导量子比特的干扰也较大,虽然传统芯片设计中也要考虑电磁场的相互影响,但在量子芯片的设计中会考虑得更加精细。

 

此外,即使是工作温度比较高的硅基半导体量子芯片,目前工作的温度最高也要到 1.5k,也就是零下 272.5 度,这样的工作环境下,传统集成电路的很多因素就会受到影响,比如开关电压不同等。

 

因此,量子芯片迫切需要发展超导电子学技术和低温电子学技术。因为当芯片集成比特数达到数千个以后,按照现有的模式,用室温电子学控制设备控制每一个比特几乎不可能实现,需要将比特的控制部分和量子芯片集成,能够达到这个目标的唯一技术是超导电子学。目前超导电子学技术还处在非常基础的阶段,实际应用非常少,如何与量子芯片集成更是有待研究的全新课题。

 

与此同时,为了实现低温环境,还需要配置大功率极低温制冷机。超导量子芯片只能在 10mK 左右的极低温(约零下 273.14 度)下才能工作,而且还要求提供足够的制冷功率,目前能做到的只有稀释制冷机。当前的稀释制冷机技术仅能做到满足数百个比特的需求,支持更大规模的量子芯片的技术仍是一个待研究的课题,目前国内的稀释制冷机主要都是通过进口获得。

 

独特的设计、制造和封装

同传统集成电路芯片设计类似,量子芯片的设计也需要依靠设计和仿真软件。但由于同半导体芯片电路特性不同,量子芯片电路原理和结构设计遵循完全不同的逻辑,不可能直接使用现有的半导体芯片设计或仿真软件,需要重新开发。

 

“目前市场上并没有成熟的量子芯片 EDA 软件,我们自主研发的量子芯片 EDA 工具,是在传统设计和仿真的基础上进行了功能的升级,并且包含自研的量子芯片核心仿真程序。通过现有经验和数据工具,进行结构和参数指标方面的设计。此外,比如针对超导量子芯片,也包含了微波电路的一些技术,很多结构可以用微波仿真软件来模拟特性,为量子芯片的设计提供指导依据。”赵勇杰说。

 

在制造方面,量子芯片的生产制造过程本身具有的复杂的系统工程属性以及需要非常专业化知识体系,决定了无法如通过设计好的 EDA 制作参数以及自动化工具,借助现有的代工资源去完成生产制作,其生产制造的每个环节,都需要专业化程度较高的特定工程师逐步调试工艺参数。

 

在封装环节,也需要在传统封装技术的基础上,通过技术工具实现对于量子芯片的封装。一方面要求能够在封装后,大幅度抑制信号泄露并进行噪声隔离,同时要具有高效的集成性,高效的散热性能,提供磁场屏蔽保护与红外辐射屏蔽保护等特性。另一方面,比如对于超导量子芯片而言,在封装中,最重要的环节是要将其中的控制通道,通过微波线缆引出,保证低温状态下能够有效将量子芯片冷却到较低的温度。

 

由于专业性较高,技术复杂,目前推出量子芯片的企业基本上都是采用 IDM 的方式,芯片制备需要专门的工艺和设备产线。相关产品在研发周期,设备和资金投入方面也较传统模拟芯片投入较大。仅实验室用的测试设备就在数千万元的价格,而制造用的纳米加工设备产线,则需要数亿元的投入。

 

艰难的追赶阶段

如上文所述,量子计算的研制属于巨型系统工程,涉及众多产业基础和工程实现环节。我国在高品质材料、工艺结构、制冷设备和测控系统等领域仍落后于领先国家,在一些关键环节甚至面临着受制于人的风险。同时,量子计算的实际应用场景仍需要更广泛持续地探索。

 

我国的量子计算研究起步晚于欧美先进国家,且主要以科研为导向,研究主体集中在各个高校与科研院所。虽然在一些细分领域取得了科研上的突破,但在量子计算整体的工程化实现与制造工艺层面与国际先进水平具有明显差距。

 

业内专家指出,量子计算需要克服环境噪声、比特错误和实现可容错的普适量子纠错等一系列难题,真正量子计算机研发挑战巨大。

 

赵勇杰表示,在量子计算芯片方面,中国同国际领先水平还有三四年的差距。

 

“欧美厂商进展非常快,如何能够保持持续追赶的势头是关键,中国的量子计算芯片的产业化发展还处于艰难的追赶阶段,如果跟不上,差距将会越拉越大。”赵勇杰说。

 

另有行业人士表示,量子计算除了工程化方面的诸多挑战之外,量子计算系统在高性能 FPGA、高速 ADC 以及量子计算控制系统等、低温设备制冷剂等核心器件和材料等方面,仍然依靠进口,也存在不少“卡脖子”环节。

 

“并不能因为实验室发表了几篇世界领先的研究成果就盲目乐观,我国的量子计算还有很长的路要走。”该人士坦言。