下一個芯片的扛把子會是量子芯片嗎？

隨著硅基芯片進入10nm以下，越來越接近物理極限，摩爾規(guī)律即將在硅基芯片上失效。芯片的出路在何方？目前全球主要有兩種下一代芯片在研：碳基芯片和量子芯片。

2020年5月26日我國北大彭練矛和團隊宣布碳基芯片半導體制備材料取得關(guān)鍵性突破；8月25日中國科技大學潘建偉團隊的朱曉波教授對外宣布，中國科大今年預計可以實現(xiàn)60量子比特的超導量子系統(tǒng)，并且有望在5年后實現(xiàn)千個量子比特的系統(tǒng)。

如果說硅基芯片是馬車；那碳基芯片就是汽車；量子芯片既不是高鐵、也不是飛機，而是火箭！所以，量子計算機，又被美國科學家賦予個新的稱號：“量子霸權(quán)”。碳基芯片

碳基芯片相對傳統(tǒng)的硅基芯片成本更低、功耗更小、性能更佳。美國的麻省理工學院和中國的北京大學團隊作為碳基芯片研發(fā)的第一梯隊，都在今年取得了突破成果。

2020年6月1日，麻省理工學院（簡稱 MIT）電氣工程與計算機科學系助理教授馬克斯·舒拉克，帶領(lǐng)團隊發(fā)表了題為《在商用硅制造設(shè)施中制造碳納米管場效應(yīng)晶體管》的論文。改進了一種將襯底浸沒在納米管溶液的沉積技術(shù)，從而讓工業(yè)設(shè)備制造碳管成為可能?？芍苯永矛F(xiàn)有的硅基芯片產(chǎn)業(yè)鏈進行制備（如光刻機和EDA軟件），實現(xiàn)了碳基芯片制備工藝與現(xiàn)有硅基芯片的兼容，可以更快產(chǎn)業(yè)化，但MIT的碳基芯片制備技術(shù)，目前所取得的成績僅相當于30年前的硅基芯片性能，離真正的取代硅基芯片，還相差甚遠。

北大團隊開發(fā)大面積制備碳納米管排列工藝，性能超硅芯，但產(chǎn)業(yè)鏈形成還需時日

北大彭練矛團隊就開發(fā)了一種全新的提純和自組裝方法，可以制備出高密度、高純半導體陣列的碳納米管材料，在此基礎(chǔ)上還首次實現(xiàn)性能超越同等柵長硅基 CMOS 技術(shù)的晶體管和電路（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體的縮寫，是指制造大規(guī)模集成電路芯片所采用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來的芯片，是電腦主板上的一塊可讀寫的并行或串行FLASH芯片），首次制備出性能超越同等柵長硅基CMOS技術(shù)的碳納米管陣列，純度高達99.9999%。

團隊成功制備出的5nm柵極碳納米管COMS器件，速度相當于兩倍英特爾最新商用硅晶體管，能耗卻只有其四分之一，展示出了10nm以下碳基芯片的巨大商用價值，性能遠超MIT的研究，但采用了全新的制備方式，因此整個產(chǎn)業(yè)鏈需要重建，商業(yè)化還需時日。

碳基技術(shù)在將來可以應(yīng)用于國防科技、衛(wèi)星導航、氣象監(jiān)測、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域，如果我國能在碳基芯片的制備技術(shù)上走出自己的產(chǎn)業(yè)化之路，那未來芯片產(chǎn)業(yè)就不必受制于人，彎道超車，走上芯片制造的制高點也未可知。

實現(xiàn)“量子霸權(quán)”可以將人類直接帶入科學的下個維度，屆時計算機的能力將遠超人類自身。

但量子芯片領(lǐng)域離商業(yè)化還很遙遠，目前還需靠碳基芯片維持現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈的過渡。

量子芯片

碳基芯片只能說是在現(xiàn)有的芯片體系上繼續(xù)延續(xù)“摩爾規(guī)律”，由碳基芯片接棒硅基芯片，而量子芯片的出現(xiàn)，則超越了摩爾規(guī)律。

微軟曾公開表達過，其希望成為量子計算領(lǐng)域的領(lǐng)導者。在過去20幾年來也一直致力于量子計算的發(fā)展，每年投入大量的資金用于開發(fā)量子計算。據(jù)報道2018年6月開始，微軟陸續(xù)挖走了高通的工程師，為研發(fā)承受低溫的量子計算芯片招兵買馬，早些時候，微軟的量子計算機研究還從研究部門獨立。2018年微軟全公司的研發(fā)費用達到147億美元，其中開發(fā)量子計算每年大概花費10億美元。近幾年，IBM、英特爾和谷歌等公司都在量子計算項目投入巨大。

量子計算機的原理

經(jīng)典計算機的基本原理是利用二進制來進行計算。計算機利用電子管的開關(guān)狀態(tài)分別代表二進制的0和1，因此電子管數(shù)量越多（開關(guān)越多），則能代表的二進制數(shù)值越多，相應(yīng)的計算能力就越強。目前晶體管已經(jīng)進入了7nm級以下的時代，在指甲蓋大小的面積上可以分布數(shù)十億晶體管。量子計算這一概念是物理學費曼引入的，隨著當前半導體的小型化愈到極限，芯片的電路元件尺寸縮小到納米尺度時，量子力學效應(yīng)會終結(jié)當前的摩爾規(guī)律。

在量子計算機中，由于量子處于疊加態(tài)，每個比特單位既可以是1，可以是0，也可以是1又是0，而傳統(tǒng)晶體管只能是0或1的狀態(tài)。通俗而言，按照量子論，物體從A能直接到達B且不經(jīng)過A和B中的任何一個點，即物體在A點消失的同時在B點出現(xiàn)。薛定諤的貓是關(guān)于量子理論的一個理想實驗，在揭開蓋子前，我們永遠也不確定貓的死活，它將永遠處于非死非活的疊加態(tài)。

傳統(tǒng)經(jīng)典計算機一個比特只能代表一個狀態(tài)，而量子計算機的一個比特可以是2^N個數(shù)，隨著數(shù)量的增加，其存儲能力呈指數(shù)級上升，例如一個250量子比特的存儲器（由250個原子構(gòu)成）可能存儲的數(shù)值達2^250，比宇宙中已知的全部原子數(shù)目還多。

2017年5月，中國科學技術(shù)大學潘建偉教授宣布：研究團隊在2016年首次實現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點單光子源構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的單光子量子計算機；

2018年12月，在中國合肥誕生首款量子計算機控制系統(tǒng)OriginQ Quantum AIO；

2019年1月，IBM拉斯維加斯國際消費電子展上首次公開了世界上第一臺集成量子計算系統(tǒng)：IBM Q System One，將全球最先進的科學技術(shù)集成到一個9英尺的玻璃立方體內(nèi)，目前這類量子計算機仍僅分散地存在于研究實驗室內(nèi)。IBM的客戶可以通過付費在公司的設(shè)備上運行量子計算機，來處理他們的內(nèi)部計算。

2019年9月谷歌以53個量子比特，讓量子系統(tǒng)花費約200秒完成傳統(tǒng)超級計算機要1萬年才能完成的任務(wù)，表示成功實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

2020年8月28日，谷歌成功用12個量子比特模擬了二氮烯的異構(gòu)化反應(yīng)。這意味著用計算機的計算能力，可以還原化學反應(yīng)，創(chuàng)造一個完全數(shù)字化的復雜世界。

2020年8月25日，中國科技大學潘建偉團隊的朱曉波教授對外宣布，中國科大今年預計可以實現(xiàn)60量子比特的超導量子系統(tǒng)，并且有望在5年后實現(xiàn)千個量子比特的系統(tǒng)。

2020年9月21號，紫光國微造出全球第一片超級量子5G芯片，作為清華大學旗下科研企業(yè)第二次突破量子空間限制，打造出更安全的國產(chǎn)芯片

未來10年期的目標，即一百萬比特量子計算機，保真度99.8%，和谷歌相同。

量子計算機的開發(fā)條件非?？量蹋ǔ１仨殞⑵淅鋮s到極低的溫度，以避免其存儲和處理數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)（量子比特）受到不必要的干擾。在處理普通計算機無法處理的計算方面很有用。目前，這些機器都是高度定制的機器，幾乎沒有人知道如何編程，而且在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了，要看到量子計算的回報還需時日，正如Bennett教授所說，”現(xiàn)在的量子計算機只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是5年，10年，甚至是50年以后”。

著名科幻作家邁克爾·克萊頓，在科幻小說《時間線》中曾嘗試用文學的筆調(diào)來想象量子計算的神奇。雖然小說中有些說法也并不科學，但克萊頓預言的量子“并行計算”的強大潛力和美好前景如今正在現(xiàn)實世界中一步步得到印證。感興趣的小伙伴們可以去看看哦~

2019年，日本發(fā)布《從全球?qū)＠貓D看量子技術(shù)2.0》，該報告統(tǒng)計了目前量子技術(shù)2.0專利的現(xiàn)狀。其中一共涉及的專利數(shù)量是4088件，中國擁有的專利為1387件、其次是美國的921件，然后是日本的657件，剩下主要是歐洲國家。從專利數(shù)量上來看，中國已經(jīng)甩開歐美日等技術(shù)強國一大截。

量子計算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性，要使量子計算成為現(xiàn)實，一個核心問題就是克服消相干，迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機，但各個實驗室都仍在努力中。于現(xiàn)狀而言，中國大有可能在量子芯片上有所發(fā)揮，實現(xiàn)芯片自由。

至于量子黑科技何時能真正的從理論走向現(xiàn)實，敬請期待~

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來源：球球娛樂團體

責任編輯：haq