安徽合肥：国内首条量子芯片生产线投运！我们与国际先进只差3年

国内首条量子芯片——悟空芯生产线，自2022年1月在安徽合肥投入运营一年以来，已交付了多个批次的量子芯片，这种量子芯片是专门为“悟空”量子计算机配套的。

量子计算机“悟空”

量子计算，我们哪里行？

量子计算大家经常听到，并不陌生，但是量子芯片是什么呢？简单讲就是量子计算机的“大脑”。有人觉得这会不会又是骗经费的项目呢？带着这个疑问，我们来深度探究一下。

在说正题之前，小编先长长自家志气，看看咱们在量子计算领域有哪些拿得出手的本领。提到量子计算，其实这是一个研究范围很大的领域，有些方面欧美日做得不错，但有些方面我们则更为领先。

下面两张图表清晰地表明美国在量子算法、量子计算模型、量子比特的物理实现、量子计算机的核心量子纠错等方面要强于我国，但是咱们得益于量子通信 的研究优势，在量子纠缠、量子退相干、量子传输协议、光量子计算 等领域对美国有一定的优势，对主流的超导量子计算 的攻关优势也较为显著。所以不必妄自菲薄，咱还是可以的。

量子计算，我们哪里还不行？

当然也不要盲目尊大。20世纪80年代量子计算的概念最早出现，物理学家保罗·贝尼奥夫奠定了量子计算的基础；到了90年代，美国贝尔实验室的科学家提出了量子分解算法和量子搜索算法。要知道在10年前的2013年，量子计算对于我国而言还是陌生未知的领域。这样看我们与美国有着大约20年的科研和技术发展差距。但是，仅仅过了10年，我们跟世界先进水平之间是什么关系呢？

负责“悟空”量子计算机研制的本源量子负责人郭国平给出了自己的理解。他认为未来各国国力的竞争就是算力的竞争 ，量子计算机颠覆了传统的计算方式，形象地大概比较一下，一台量子计算机1秒的算力与1600台传统计算机的算力相当，所以就成了“兵家必争之地”。

近年来，美国以谷歌、IBM、英特尔、IonQ公司为代表的企业纷纷进军量子计算，所以发展迅速。作为行业龙头企业的带路人，郭国平理智地判断：“我国量子计算芯片在战术层面仍处于落后的位置，与国外最先进技术有3年左右的差距，且差距有扩大的趋势 。”这就是我们在这场全球角逐中的位置。如果用数据说话的话，大家可以看一下：

■ 谷歌公司：主要致力于超导量子计算，2018年3月发布了72量子位的Bristlecone处理器；2019年10月谷歌量子人工智能实验室研制出54量子比特的可编程超导Sycamore处理器，宣称实现了“量子霸权”。

■ IBM公司：也致力于超导量子计算，宣布搞定了50量子位的计算机，并在2020年9月发布了65量子比特的Hummingbird处理器，并计划在2021~2023年分别推出127、433、1121量子比特的处理器‘’

■ 英特尔公司：重点研发基于硅自旋量子比特的商用量子计算机，在2018年初交付了49量子位的超导测试芯片，被视为里程碑；在2019年12月公布首款低温控制芯片Horse Ridge，能够控制多种量子比特（超导量子比特和自旋量子比特）。

■ IonQ公司：重点探索囚禁离子量子计算，是这个路径的领军者。2020年10月公布了32量子比特的量子计算机系统。

2019 年8 月，我国浙江大学Chao Song 等人成功研制含有20 个量子比特的超导量子芯片，并通过该量子芯片成功实现了全局纠缠。

我国量子计算的行业龙头合肥本源量子，技术力量源于中国科技大学，在2017年10月上线“本源量子计算云平台”，采用超导量子芯片；并于2020年9月推出超导量子计算机——本源悟源，搭载了6比特超导量子处理器夸父KF C6-130。

咱们能不能弯道超车？

在传统计算机芯片研究生产领域，咱们产业基础薄，起步又晚，所以一直在瞄准国际先进水平在追赶，但是人家凭着发力早，早早占据了绝大多数的专利技术，对我国形成技术封锁。但是传统芯片目前发展速度趋缓，已经基本快到顶了。

现在的量子计算芯片却是一条新赛道，在这条赛道上，国际先进水平并没有落下我们多少，有的甚至我们在领跑。所以郭国平中肯地讲“我们现在是换道超车”，“不过别人也很精明，我们能想到的别人也早想到了”，“传统芯片有30年的差距我们都没放弃，如今量子芯片只有3年的差距更应该咬得住”。

谈超车尚早，但是咱们有“换道超车”的可能。这是因为量子计算芯片的研制不依赖于最先进的传统芯片生产线，在国内已经成熟的生产线上就可以完成。由于量子计算是新玩法，虽然有美国等公司仍然在专利技术领域跑马圈地，但是咱们也在努力地扩大地盘，鹿死谁手还不一定呢。比如量子本源就把未来的六大研发方向，分别是量子计算机、量子芯片 、量子测控、量子软件、量子云、量子人工智能。

如今他们在“悟空芯”生产线上已经导入24台有关工艺设备，孵化了3套自研专用设备，生产出1500多个批次流片试制的产品。但是郭国平却说：功成不必在我，也许他这辈子都看不到真正的量子计算机的诞生，但是在下一次技术变革来临的时候，中国人不要再被“卡脖子”，等后人研发出来后，别忘了给他“烧”上一台。

硬核科普——量子芯片

量子芯片是量子计算机的核心部件。目前有三种量子芯片被广泛研究，分别是：超导、半导体和离子阱量子芯片。三种芯片各有优劣：

■ 超导量子芯片：电路设计难度随着比特数增多而增大。

■ 导体量子芯片：计算性能不如另两种，但完全基于传统半导体工艺，只要科学家能在实验室里实现样品芯片，其大规模工业生产理论上不存在问题。

■ 离子阱量子芯片：计算性能优异，但体积庞大。

超导量子芯片：可以利用微纳加工工艺，超导约瑟夫森结是其核心元件。中间的绝缘层厚度一般小于10纳米，这样两块超导体内的Cooper 电子对通过隧穿效应穿过绝缘层可以到达另一边。器件的外界电磁偏置使两块超导体的波函数的相位差产生联系，使得电子具有相当高的横跃此薄层量子力学的振幅。这种量子隧穿效应可以用来制作量子器件。

约瑟夫森结

半导体量子芯片：就是能够进行逻辑运算和处理量子信息过程的量子处理器，基于门控量子点操纵单电子自旋，是研制量子计算机的核心器件，类比于经典计算机全电控的半导体中央处理器（CPU）。差别在于传统计算机使用二进制的经典比特（用晶体管高低电平表示0和1），而量子计算机采用量子比特（每个数据位用微观量子态表示，除了可以处于0、1状态之外，还能同时处于1和0两种状态 叠加态）。制备时首先通过分子束外延生长含有二维电子的基片材料；然后，通过高分辨电子束刻蚀、光学刻蚀等制备量子点结构的图形；最后，通过电子束蒸发金属镀膜，再利用金属剥离技术，获得半导体量子点芯片器件。

离子阱量子比特之间的相互作用力为库仑力。在该类型芯片中，用离子的内态能级编码量子位，而用晶态离子的集体振动声子态编码运动量子比特位。用于产生量子比特的原子就在芯片的中心位置，被激发并被电磁场和库仑相互作用所束缚。在高真空中使用电磁场捕获离子化的原子可形成电离后原子的势阱。

不同构型的离子阱结构图

结语

期待我国未来能在量子计算的诸多领域能够换道超车成功，不再被国外卡脖子，没准反过来我们也能卡卡某些不友好国家的脖子。

参考资料，特此致谢！

1、《中美量子计算研发现状对比分析及启示》

2、《量子计算辟蹊径 科教报国会有时 ——专访本源量子创始人郭国平》

3、《量子芯片的研究现状与应用》

今天，这条光子芯片产线启动！

配备3.5亿元规模设备、5000平方米超净间，覆盖了整个产业链的核心工艺，月产能一千片晶圆……今天上午，南智先进光电集成技术研究院（后简称“南智光电”）铌酸锂光子芯片产线启动仪式在新区举行。

据了解，本次启用的产线，具备了光刻、刻蚀、镀膜、研抛、湿法等系列核心技术工艺。这意味着国内薄膜铌酸锂光子芯片产业化取得重要进展，也再一次让江北新区，站在光电产业发展的聚光灯下。

前一天还在武汉参加学术会议的中国科学院院士、江苏省光电技术创新中心主任祝世宁，今天一大早也赶到了启动仪式现场，与大家一同见证光电产线的新突破。“这是团队从研到产，很关键的一条产线。”祝世宁语含深情，与台下嘉宾们分享。

光电产业是将光子学、电子学、信息学等技术相融合的高新技术产业，是以光、电相互转换技术为核心所构成的各类零件、组件、设备和应用市场的总和。作为新一代信息技术产业的基础，光电产业已成为推动经济发展的重要力量。

在这股重要力量中，科教资源丰富的南京，在全球光电科技发展中有着重要的影响。而作为全市重要的创新发展引擎，近年来，江北新区聚焦“自主创新先导区”定位，建设运营EDA国创中心、江苏省产业技术研究院、光电技术创新中心等一批重大创新平台，集聚了希烽光电、芯视界等一批光电领域领先企业，初步形成了以光电芯片、光通信、光电晶体材料、光电子器件等于一体的光电产业链条布局。

在这里，光电产业集群正在快速成型，产业化动作也越跑越快。

作为光电产业老前辈，祝世宁院士一直带领团队勇闯“无人区”，聚焦光电产业里的冷门赛道铌酸锂材料领域，坚持实现更多原创突破。2018年，在南京大学和南京江北新区支持下，祝世宁团队在新区产业技术研创园落地南智光电，并负责建设运营光电公共技术平台，瞄准下一代光电芯片技术在基础材料、器件工艺等方面的需求，开展研发工作。

“光电芯片有望成为我国率先突破的科技领域，我们应该对下一代技术更早地切入、更快地投入，争取在未来有更多的发言权。”将高校前沿科技落地转化，真正将论文写在大地上，祝世宁总是这样说着。

中红外超晶格激光器、自由空间无人机高速通信系统、超构材料平面透镜、高分辨光谱相机……经过6年沉淀之后，在南智光电这一科研平台上，科学家们将头脑中的一个个奇思妙想转变为现实，越来越多成果开始走进人们的视野。

今年初，南智光电启动平台二期建设，目前二期平台已经具备一定量产能力，月前才刚刚下线一批8英寸生物基因检测芯片，相关性能指标全部符合客户定制要求。

未来，以铌酸锂光子芯片产线为基础，南智光电将能够面向国内外光电企业提供芯片研发及流片支持。“以本次新产线的启动为契机，南智光电将更有信心，更好服务产业成长、赋能新区发展。”祝世宁说。

新区党工委委员、管委会副主任陈文斌，长三角国创中心管委会委员、副院长石功奇参加活动并致辞。海信宽带多媒体技术有限公司创始人、董事长黄卫平作主旨演讲。南智光电平台与6家业务伙伴签订研产贯通合作协议。

素材来源 | 科投集团、南智光电

图/文 | 周琴

发布 | 郑好

审核 | 刘云涛

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