下一个芯片界的扛把子,量子芯片?

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随着硅基芯片进入10nm以下,越来越接近物理极限,摩尔规律即将在硅基芯片上失效。芯片的出路在何方?目前全球主要有两种下一代芯片在研:碳基芯片和量子芯片

2020年5月26日我国北大彭练矛和团队宣布碳基芯片半导体制备材料取得关键性突破;8月25日中国科技大学潘建伟团队的朱晓波教授对外宣布,中国科大今年预计可以实现60量子比特的超导量子系统,并且有望在5年后实现千个量子比特的系统。

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如果说硅基芯片是马车;那碳基芯片就是汽车;量子芯片既不是高铁、也不是飞机,而是火箭!所以,量子计算机,又被美国科学家赋予个新的称号:“量子霸权”。碳基芯片

碳基芯片相对传统的硅基芯片成本更低、功耗更小、性能更佳。美国的麻省理工学院和中国的北京大学团队作为碳基芯片研发的第一梯队,都在今年取得了突破成果。

2020年6月1日,麻省理工学院(简称 MIT)电气工程与计算机科学系助理教授马克斯·舒拉克,带领团队发表了题为《在商用硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管》的论文。改进了一种将衬底浸没在纳米管溶液的沉积技术,从而让工业设备制造碳管成为可能。可直接利用现有的硅基芯片产业链进行制备(如光刻机和EDA软件),实现了碳基芯片制备工艺与现有硅基芯片的兼容,可以更快产业化,但MIT的碳基芯片制备技术,目前所取得的成绩仅相当于30年前的硅基芯片性能,离真正的取代硅基芯片,还相差甚远。

北大团队开发大面积制备碳纳米管排列工艺,性能超硅芯,但产业链形成还需时日

北大彭练矛团队就开发了一种全新的提纯和自组装方法,可以制备出高密度、高纯半导体阵列的碳纳米管材料,在此基础上还首次实现性能超越同等栅长硅基 CMOS 技术的晶体管和电路(CMOS,Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体的缩写,是指制造大规模集成电路芯片所采用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片,是电脑主板上的一块可读写的并行或串行FLASH芯片),首次制备出性能超越同等栅长硅基CMOS技术的碳纳米管阵列,纯度高达99.9999%。

团队成功制备出的5nm栅极碳纳米管COMS器件,速度相当于两倍英特尔最新商用硅晶体管,能耗却只有其四分之一,展示出了10nm以下碳基芯片的巨大商用价值,性能远超MIT的研究,但采用了全新的制备方式,因此整个产业链需要重建,商业化还需时日。

碳基技术在将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域,如果我国能在碳基芯片的制备技术上走出自己的产业化之路,那未来芯片产业就不必受制于人,弯道超车,走上芯片制造的制高点也未可知。

实现“量子霸权”可以将人类直接带入科学的下个维度,届时计算机的能力将远超人类自身。
但量子芯片领域离商业化还很遥远,目前还需靠碳基芯片维持现有产业链的过渡。
量子芯片
碳基芯片只能说是在现有的芯片体系上继续延续“摩尔规律”,由碳基芯片接棒硅基芯片,而量子芯片的出现,则超越了摩尔规律。

微软曾公开表达过,其希望成为量子计算领域的领导者。在过去20几年来也一直致力于量子计算的发展,每年投入大量的资金用于开发量子计算。据报道2018年6月开始,微软陆续挖走了高通的工程师,为研发承受低温的量子计算芯片招兵买马,早些时候,微软的量子计算机研究还从研究部门独立。 2018年微软全公司的研发费用达到147亿美元,其中开发量子计算每年大概花费10亿美元。近几年,IBM、英特尔和谷歌等公司都在量子计算项目投入巨大。

量子计算机的原理

经典计算机的基本原理是利用二进制来进行计算。计算机利用电子管的开关状态分别代表二进制的0和1,因此电子管数量越多(开关越多),则能代表的二进制数值越多,相应的计算能力就越强。目前晶体管已经进入了7nm级以下的时代,在指甲盖大小的面积上可以分布数十亿晶体管。量子计算这一概念是物理学费曼引入的,随着当前半导体的小型化愈到极限,芯片的电路元件尺寸缩小到纳米尺度时,量子力学效应会终结当前的摩尔规律。

在量子计算机中,由于量子处于叠加态,每个比特单位既可以是1,可以是0,也可以是1又是0,而传统晶体管只能是0或1的状态。通俗而言,按照量子论,物体从A能直接到达B且不经过A和B中的任何一个点,即物体在A点消失的同时在B点出现。薛定谔的猫是关于量子理论的一个理想实验,在揭开盖子前,我们永远也不确定猫的死活,它将永远处于非死非活的叠加态。

传统经典计算机一个比特只能代表一个状态,而量子计算机的一个比特可以是2^N个数,随着数量的增加,其存储能力呈指数级上升,例如一个250量子比特的存储器(由250个原子构成)可能存储的数值达2^250,比宇宙中已知的全部原子数目还多。

2017年5月,中国科学技术大学潘建伟教授宣布:研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机;

2018年12月,在中国合肥诞生首款量子计算机控制系统OriginQ Quantum AIO;

2019年1月,IBM拉斯维加斯国际消费电子展上首次公开了世界上第一台集成量子计算系统:IBM Q System One,将全球最先进的科学技术集成到一个9英尺的玻璃立方体内,目前这类量子计算机仍仅分散地存在于研究实验室内。IBM的客户可以通过付费在公司的设备上运行量子计算机,来处理他们的内部计算。

2019年9月谷歌以53个量子比特,让量子系统花费约200秒完成传统超级计算机要1万年才能完成的任务,表示成功实现了“量子霸权”。

2020年8月28日,谷歌成功用12个量子比特模拟了二氮烯的异构化反应。这意味着用计算机的计算能力,可以还原化学反应,创造一个完全数字化的复杂世界。

2020年8月25日,中国科技大学潘建伟团队的朱晓波教授对外宣布,中国科大今年预计可以实现60量子比特的超导量子系统,并且有望在5年后实现千个量子比特的系统。

2020年9月21号,紫光国微造出全球第一片超级量子5G芯片,作为清华大学旗下科研企业第二次突破量子空间限制,打造出更安全的国产芯片

未来10年期的目标,即一百万比特量子计算机,保真度99.8%,和谷歌相同。

量子计算机的开发条件非常苛刻,通常必须将其冷却到极低的温度,以避免其存储和处理数据的基本结构(量子比特)受到不必要的干扰。在处理普通计算机无法处理的计算方面很有用。目前,这些机器都是高度定制的机器,几乎没有人知道如何编程,而且在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了,要看到量子计算的回报还需时日,正如Bennett教授所说,”现在的量子计算机只是一个玩具,真正做到有实用价值的也许是5年,10年,甚至是50年以后”。

著名科幻作家迈克尔·克莱顿,在科幻小说《时间线》中曾尝试用文学的笔调来想象量子计算的神奇。虽然小说中有些说法也并不科学,但克莱顿预言的量子"并行计算"的强大潜力和美好前景如今正在现实世界中一步步得到印证。感兴趣的小伙伴们可以去看看哦~

2019年,日本发布《从全球专利地图看量子技术2.0》,该报告统计了目前量子技术2.0专利的现状。其中一共涉及的专利数量是4088件,中国拥有的专利为1387件、其次是美国的921件,然后是日本的657件,剩下主要是欧洲国家。从专利数量上来看,中国已经甩开欧美日等技术强国一大截。

量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性,要使量子计算成为现实,一个核心问题就是克服消相干,迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机,但各个实验室都仍在努力中。于现状而言,中国大有可能在量子芯片上有所发挥,实现芯片自由。

至于量子黑科技何时能真正的从理论走向现实,敬请期待~

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