华为:转换竞争新赛道,博弈量子芯片科技

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作为中国高新科技的代表,华为的一举一动都会引起业界的关注,不仅因其具备出色的技术实力,更因其体现了永不妥协、奋勇向前的精神特质。近日,华为公布了一个与量子芯片有关的新专利,再次成为业界热议的话题。

根据天眼查资料,6月10日,华为技术有限公司申请的“一种量子芯片和量子计算机”专利公布。摘要显示,本申请提供的量子芯片包括基板、M个子芯片、耦合结构和腔模抑制结构。其中,以M个子芯片的方式组成量子芯片,从而有效降低制作难度并提升制作良率;并且当某一个子芯片出现质量缺陷时,也不会导致因质量缺陷所造成的成本大、资源浪费等问题。

实际上,量子科技早已受到世界各国的高度重视,而各大厂商也展开了这个未来科技主赛道的竞争与布局。如果说现今硅基芯片是各大国竞争的重点,那么量子芯片则是未来博弈的新焦点。

什么是量子芯片? 

那么,什么是量子芯片呢?它其实指的将量子线路集成在基片上,进而承载量子信息处理的功能。它与传统的碳基芯片最大的区别在于运算速度极快,或者说完全不在一个量级上。

简单地说,传统计算机中的一个比特,可以用0或者1来表示,那么计算机处理n个比特的能力就是2n。而量子计算机中的量子比特,可以处于0和1同时存在的状态,那么量子计算机处理n个比特的能力就是2n。相比传统计算机,量子计算机的计算能力是呈指数增长的。

假设比特数为N,且无限大时,量子计算机的优势将会指数级的上升。比如,当N为100时,量子计算机运行一次就可以完成运算,耗时远远低于一秒,但如果是经典计算机,则需要运算2100次。

6月2日,英国顶级期刊《自然》(Nature)杂志发表了一份研究成果:美国国家标准与技术研究院与加拿大量子技术公司Xanadu合作,开发了一种可以执行多算法、可编程、可扩展的光量子计算芯片。而且,研究人员通过Xanadu研发的光量子计算机Borealis,仅需36微秒,即可完成超级计算机需耗时超过9000年才能完成的一项任务,运行速度加快了5000万倍以上。由此可见,可见,量子芯片在处理特定大规模计算难题的时候,具有传统计算机无法比拟的优势。

同时,根据中国科学技术大学潘建伟院士的定义,量子计算是基于量子力学的全新计算模式,具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力,为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案,并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。因此,未来在人工智能、密码分析、天气预报、资源勘探等领域,量子计算机将发挥出巨大作用。

转换赛道竞争是上策

一提到芯片,大家都会格外关注起来,特别是像华为这样的具有风向标式的企业。

因为受制于摩尔定律,硅基芯片已经处于发展瓶颈,工艺上进步的空间十分有限,并且极致工艺下的芯片在发热、功耗等方面的表现也不尽如人意,所以其他的芯片制造方向便逐步的引起了世界各国的重视,比如量子芯片。而华为此次公开量子芯片专利,也是在很大程度上表明了其在新的芯片制造方向的探索。

从华为在量子芯片的布局来看,尽管该芯片方向并不能改变被封锁与限制的境况,但在现有的硅基芯片领域的大量的技术积累和专利被欧美科技企业所掌控的大背景下,拼命去追赶可能不是上策。而换个赛道竞争,或许有更大的机会。就如在传统燃油车领域,发动机、变速箱和底盘等技术,尤其是相关专利,都掌握在欧美国家的企业手中。如果我们也全力去发展传统燃油车,那么我们永远都会陪跑。但转换新能源汽车赛道之后,在国家“双碳”政策以及“三电”技术和专利的支持下,新的局面就慢慢打开了。

同理,在量子芯片研发上,中科院、华为等科研机构、企业已经做长期攻关研究,在一个新赛道来发展中国的芯片产业,并尽可能避开与欧美企业硬碰硬,才是上策。

根据专利说明,华为量子芯片最大的特色就是其包含了M个子芯片,从而降低了制作难度,提升了产品良率。其中,当子芯片出现问题时,其他子芯片还可以正常运作。其实,这不就是“模块化的、多芯拼接的”吗?与华为“3D堆叠”专利,是否有“异曲同工之妙”呢?

实际上,这不是华为第一次公开量子技术方面相关专利。2018年11月2日,华为就公开了“一种量子密钥分发系统、方法及设备“的相关专利。根据专利摘要显示,该量子密钥分发系统有助于降低量子密钥分发的复杂性和降低成本。而这项专利申请的日期为2017年4月24日,可见,华为在很早之前,就已经涉足量子技术方面的研究了。而这次华为又公开了一个量子芯片方面的专利,说明在量子技术领域,很有可能已经取得了一定的突破。

与经典计算无替代关系

对于网络一些关于“量子芯片将打破当下芯片制造的困境,特别是华为将破解芯片代工问题,以及光刻机的限制”的说法,要特别说明一下,量子计算与经典计算也不是取代和被取代的关系,而是在对算力要求极高的特定场景中发挥其高速并行计算的独特优势。

因此,我们可以这样理解:量子芯片将开拓了一些新的应用场景,对传统硅基芯片没有替代关系,自然也不一定能改观中国半导体现状。

根据全球前沿科技咨询机构 ICV 与光子盒联合发布的《2022全球量子计算产业发展报告》,尽管目前对量子计算机将能够解决的所有问题还没有达成共识,但研究主要集中在以下类型的计算问题上:

一是模拟。模拟自然界中发生的过程,很难或不可能用当今的经典计算机来描述和理解。这在药物发现、电池设计、流体动力学以及衍生品和期权定价方面具有巨大潜力。

二是优化。使用量子算法来确定一组可行选项中的最优解,可能适用于干线物流和投资组合风险管理。

三是机器学习。识别数据中的模式以训练机器学习算法。这可以加速人工智能的发展(例如用于自动驾驶汽车)以及防止欺诈和洗钱。

四是密码。打破传统加密和支持更强的加密标准。

各大技术路线齐头并进

目前,量子芯片主流的技术路线有超导、半导、离子阱、光学以及量子拓扑等方向,每种技术路线各有优劣势,尚无任何一种路线能够完全满足实用化要求。整体来看,前四种路径均已制作出物理原型机,但量子拓扑这一微软重注的方向尚无物理层面的实现。

目前,超导量子计算是目前国际上发展相对迅速的一种固态量子计算的实现方法,也是构建通用量子计算机和量子模拟机最有前途的候选技术路线之一。主要原因在于:一是超导效应作为一种宏观量子效应,为量子态相干操控提供了无损耗环境;二是超导量子电路的能级可以通过外加电磁场进行干预,电路更容易实现定制化开发;三是由于集成电路工艺已经比较成熟,超导量子电路的可扩展性优势将会更加明显。

目前谷歌、IBM、英特尔等巨头都押注超导或者半导体方向。超导量子计算被普遍认为是最有可能率先实现实用化量子计算的方案之一。

2021年全球超导量子计算重要进展

 

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资料来源:ICV

离子阱量子计算机具有量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高等三大特点。当前,离子阱量子计算机在量子比特连接性和相干时间方面领先其他技术路线。但扩展性较差的问题是离子阱体系亟待解决的主要问题。近年来,世界各地研究团队一直在尝试创建离子阱量子计算机,被捕获的离子充当纠缠的量子比特,以执行高级计算,这类计算机被证明是用于实际应用的量子计算最有希望的系统之一。

2021年离子量子计算重要进展

 

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资料来源:ICV

2021年光量子相关研究成果丰硕,堪称光量子计算机商业化元年。基于光子的量子计算有几个独特的性质:一是光子的量子态在没有真空或冷却系统的情况下得以维持,因为它们与外部环境的相互作用极其微弱;二是光子是量子通信的最佳信息载体,以光速传播,并为高数据传输容量提供大带宽;三是由于光子之间不相互作用,因此很难实现需要光子之间相互作用的两量子比特纠缠门;四是由于光子以光速传播,并且不停留在同一位置,因此必须沿着光子的光路布置许多光学组件,导致效率不高。目前,光量子计算机的研究主要集中于克服这些困难。

2021年光量子计算重要进展

 

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资料来源:ICV

总结

目前,量子计算机也被认作是大国之间的超级军备竞赛,是事关国运、颇具前景的科技前沿领域。中国已经在量子计算机领域处于全球领先的地位,例如量子计算机领域的九章、量子通信领域的墨子号,华为、阿里巴巴达摩院等都在量子计算领域投入大量的资源,取得了非常不错的成果。

尽管目前量子计算机通常用来计算某些特定的问题,还无法传统的计算机可以任意地完成各种计算任务,并且在设计、生产、制造等环节,也面临着诸多的难题,但现在用不上,未必将来用不上,不然在别人在量子芯片科技领域构建了技术壁垒,就要重蹈硅基芯片之覆辙。

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