量子打算机“悟空”
量子打算，我们哪里行？
量子打算大家常常听到，并不陌生，但是量子芯片是什么呢？大略讲便是量子打算机的“大脑”。有人以为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，
下面两张图表清晰地表明美国在量子算法、量子打算模型、量子比特的物理实现、量子打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上风，在量子纠缠、量子退相关、量子传输协议、光量子打算等领域对美国有一定的上风，对主流的超导量子打算的攻关上风也较为显著。以是不必妄自菲薄，咱还是可以的。
当然也不要盲目尊大。20世纪80年代量子打算的观点最早涌现，物理学家保罗·贝尼奥夫奠定了量子打算的根本；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，量子打算对付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年的科研和技能发展差距。但是，仅仅过了10年，我们跟天下前辈水平之间是什么关系呢？
卖力“悟空”量子打算机研制的本源量子卖力人郭国平给出了自己的理解。他认为未来各国国力的竞争便是算力的竞争，量子打算机颠覆了传统的打算办法，形象地大概比较一下，一台量子打算机1秒的算力与1600台传统打算机的算力相称，以是就成了“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纭进军量子打算，以是发展迅速。作为行业龙头企业的带路人，郭国平理智地判断：“我国量子打算芯片在战术层面仍处于掉队的位置，与国外最前辈技能有3年旁边的差距，且差距有扩大的趋势。”这便是我们在这场环球竞赛中的位置。如果用数据说话的话，大家可以看一下：
谷歌公司：紧张致力于超导量子打算，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，流传宣传实现了“量子霸权”。
IBM公司：也致力于超导量子打算，宣告搞定了50量子位的打算机，并在2020年9月发布了65量子比特的Hummingbird处理器，并操持在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打算机，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月公布首款低温掌握芯片Horse Ridge，能够掌握多种量子比特（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打算，是这个路径的领军者。2020年10月公布了32量子比特的量子打算机系统。
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。
我国量子打算的行业龙头合肥本源量子，技能力量源于中国科技大学，在2017年10月上线“本源量子打算云平台”，采取超导量子芯片；并于2020年9月推出超导量子打算机——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？
在传统打算机芯片研究生产领域，咱们家当根本薄，起步又晚，以是一贯在瞄准国际前辈水平在追赶，但是人家凭着发力早，早早霸占了绝大多数的专利技能，对我国形成技能封锁。但是传统芯片目前发展速率趋缓，已经基本快到顶了。
现在的量子打算芯片却是一条新赛道，在这条赛道上，国际前辈水平并没有落下我们多少，有的乃至我们在领跑。以是郭国平中肯地讲“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年的差距更该当咬得住”。
谈超车尚早，但是咱们有“换道超车”的可能。这是由于量子打算芯片的研制不依赖于最前辈的传统芯片生产线，在海内已经成熟的生产线上就可以完成。由于量子打算是新玩法，虽然有美国等公司仍旧在专利技能领域跑马圈地，但是咱们也在努力地扩大地盘，鹿去世谁手还不一定呢。比如量子本源就把未来的六大研发方向，分别是量子打算机、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，大概他这辈子都看不到真正的量子打算机的出身，但是不才一次技能变革来临的时候，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
量子芯片是量子打算机的核心部件。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。三种芯片各有利害：
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：打算性能不如另两种，但完备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：打算性能精良，但体积弘大。
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样平常小于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，使得电子具有相称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：便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，是研制量子打算机的核心器件，类比于经典打算机全电控的半导体中心处理器（CPU）。差别在于传统打算机利用二进制的经典比特（用晶体管高低电平表示0和1），而量子打算机采取量子比特（每个数据位用微不雅观量子态表示，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成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构造的图形；末了，通过电子束蒸发金属镀膜，再利用金属剥离技能，得到半导体量子点芯片器件。
离子阱量子比特之间的相互浸染力为库仑力。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央位置，被引发并被电磁场和库仑相互浸染所束缚。在高真空中利用电磁场捕获离子化的原子可形成电离后原子的势阱。
不同构型的离子阱构造图
结语期待我国未来能在量子打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、《中美量子打算研创造状比拟剖析及启迪》
2、《量子打算辟路子 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运用》
