猶記得18/19年的時候，國內(nèi)科技圈最流行的詞莫過于“彎道超車”，其中芯片產(chǎn)業(yè)和這個詞結(jié)合的最緊密且最頻繁。時至今日，當越來越多的國產(chǎn)半導(dǎo)體公司沉下心做芯片的時候，“彎道超車”這個詞反而提的不那么勤了。大概是因為，學(xué)到知羞處，方知藝不精。
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國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)被美政府針對之后，短板完全暴露出來，EDA設(shè)計軟件、半導(dǎo)體材料、EUV光刻機等紛紛成為了“卡脖子”環(huán)節(jié)。在美政府“槍打出頭鳥”的方針下，大部分有志向的半導(dǎo)體企業(yè)都選擇韜光養(yǎng)晦、臥薪嘗膽式的發(fā)展策略。
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國產(chǎn)芯片的產(chǎn)業(yè)姿態(tài)這一兩年確實放的很低，但“彎道超車”這個想法和實踐實際上一刻也沒有斷過，通過量子通信技術(shù)改變傳統(tǒng)芯片產(chǎn)業(yè)生態(tài)就是一個很重要的嘗試。
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郭光燦院士團隊新進展

近日，中科大郭光燦院士團隊在量子存儲及量子網(wǎng)絡(luò)研究中取得原創(chuàng)性進展，該成果于7月19日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。從細節(jié)上看，該成果是一份光子回波方面的創(chuàng)新，申請了“無噪聲光子回波”的發(fā)明專利，能夠用于我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性量子存儲方案。
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在實現(xiàn)方式上，該方案創(chuàng)造性地結(jié)合了不同頻的控制脈沖以及兩次重聚過程，使得發(fā)射光子回波的上能級與殘留布居的上能級是不同能級，所以可通過頻譜濾波嚴格消除自發(fā)輻射噪聲，解決了光子回波發(fā)射的上能級與殘留布居的上能級是同一能級必然被污染的問題，讓該技術(shù)能夠用于量子領(lǐng)域。
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《自然·通訊》審稿人認為，該方案是通往高性能量子存儲器的一項重要進展。
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全新的芯片賽道

一直以來，量子芯片被認為是國產(chǎn)芯片不容錯過的歷史性機遇。從定義上，量子芯片就是將量子線路集成在基片上，進而承載量子信息處理的功能，被認為是“未來計算機”的“大腦”。當然，傳統(tǒng)芯片向量子芯片的轉(zhuǎn)變并非是一蹴而就的，期間經(jīng)歷了多個階段。
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首先是半導(dǎo)體量子點技術(shù)的提出。半導(dǎo)體量子點的核心理論是一個單量子比特邏輯門操控和一個兩量子比特受控非門可以組合任意一個普適量子邏輯門操控，這種方式具有操控方便、速度超快、可集成化、并兼容傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子技術(shù)等重要優(yōu)點，為研制實用化半導(dǎo)體量子計算打下了基礎(chǔ)。
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不過，半導(dǎo)體量子點技術(shù)也有弊端，其是利用相鄰量子點量子比特之間的交換相互作用來實現(xiàn)多比特的量子邏輯門操作，非近鄰量子比特之間的邏輯門操作需要通過一系列近鄰門操作組合完成，這大大增加了計算過程中邏輯門操作的數(shù)量和難度。
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在半導(dǎo)體量子點之后，超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)成為了主流。后者采用超導(dǎo)傳輸諧振腔等概念來實現(xiàn)半導(dǎo)體量子點非近鄰量子比特耦合的量子數(shù)據(jù)總線，解決了非相鄰量子點之間的信息傳輸問題。
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目前，國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)在致力于將超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈完全打通。前不久，合肥本源量子與合肥晶合集成電路公司簽署合作協(xié)議，雙方將共同建設(shè)本源-晶合量子芯片聯(lián)合實驗室，致力于實現(xiàn)從量子芯片設(shè)計到封裝測試的全鏈條開發(fā)。目前，該公司已經(jīng)推出了兩款超導(dǎo)量子芯片，分別是6比特的夸父KF C6-130和24比特的夸父KF C24-300。
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然后回到我們本文的主題，郭光燦院士團隊通過“無噪聲光子回波”技術(shù)推動了光量子比特在量子存儲方面的進步，為光量子芯片的實現(xiàn)掃清了又一個重要障礙。量子有很多晦澀難懂的理論，包括量子疊加、量子坍塌和量子糾纏等等。其中，量子計算要實現(xiàn)信息處理就需要實現(xiàn)量子糾纏，而且糾纏的數(shù)量越多越好。而量子存儲則是通過光量子來傳輸信息，通過原子來存儲信息，基于光量子回波技術(shù)的存儲主要是利用受控可逆非均勻展寬的原理，介質(zhì)在完全吸收光信號之后，一段時間后釋放出相同量子態(tài)的回波信號。而原來的方案必然會出現(xiàn)噪聲污染的問題，最終導(dǎo)致信息失真，郭光燦院士團隊正是解決了這個難題。
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近幾年，郭光燦院士團隊在光量子芯片領(lǐng)域?qū)耀@突破。就在前不久，該團隊在《物理評論快報》上發(fā)表研究成果，基于光子能谷霍爾效應(yīng)，在能谷相關(guān)拓撲絕緣體芯片結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了量子干涉。
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除了郭光燦院士團隊，上海交通大學(xué)金賢敏團隊也是我國光量子芯片領(lǐng)域的代表團隊。也是在數(shù)天前，金賢敏團隊提出了首個基于光子集成芯片的物理系統(tǒng)可擴展的專用光量子計算方案，并首次在實驗中實現(xiàn)了“快速到達”問題的量子加速算法。
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隨著光量子技術(shù)路線上的難題一個個攻破，芯片產(chǎn)業(yè)有望打造出一條不再需要EUV光刻機的演進路線。在此，需要提到光量子芯片和電子芯片的差別。電子芯片的推進是將晶體管越做越小，追求在單位芯片面積上實現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能，因此電子芯片制造工藝會沿著14nm、10nm、7nm、5nm一直向下延伸。而到了7nm及以下工藝時，EUV光刻機是不可或缺的，因此當EUV光刻機成為“卡脖子”環(huán)節(jié)后，我國在電子芯片制造領(lǐng)域是無法進入7nm以下的。
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與之相比，光量子芯片本身由于傳輸介質(zhì)原因，會具有高速度、低功耗和抗干擾的優(yōu)勢，同時光量子芯片并不追求極限的先進制造工藝，成熟工藝就能夠發(fā)揮出系統(tǒng)高性能的優(yōu)勢，在計算、傳輸、存儲和顯示等領(lǐng)域被廣泛看好。
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從概念到落地

量子通信技術(shù)在我國受到高度重視，而目前大部分的研究都是基于量子糾纏理論的光量子通信技術(shù)。學(xué)術(shù)端一次又一次從技術(shù)角度解決了光量子相關(guān)的技術(shù)難題，但要實現(xiàn)落地還是需要產(chǎn)業(yè)界的參與。
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從進度來看，目前我國在量子保密通信領(lǐng)域已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化，處于國際領(lǐng)先水平。2017 年 9 月，全球首條量子保密通信干線——京滬干線就已經(jīng)正式開通。未來，這樣的通信保密技術(shù)將在軍民領(lǐng)域發(fā)展巨大作用。目前，國內(nèi)已經(jīng)有一大批上市公司被納入“量子通信”概念股，包括亞光科技、國盾電子、亨通光電和中國長城等。
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而在芯片領(lǐng)域，我們已經(jīng)看到了光量子芯片的潛力，看到了一種“彎道超車”的機會。當然，也有人說當大家都在高速運行時，彎道是不能超車的，換道才可以。目前，國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)在沉心做量子芯片，如若這些企業(yè)的愿景最終實現(xiàn)了，那么我們確實開辟出了一道新的賽道。