中科大光子芯片突破：量子计算迎来新机遇

中科大光子芯片突破：量子计算迎来新机遇

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证券时报网

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中国科学技术大学李传峰教授团队在光子芯片领域取得重大突破，这种新型芯片利用光粒子传输信息，不仅加速了量子计算的发展，还能帮助科学家更好地理解量子材料特性。这项技术解决了传统量子模拟中的瓶颈问题，有望在人工智能、药物研发、能源存储等领域发挥重要作用。

随着信息技术的快速发展，传统电子芯片的性能提升正逐渐逼近物理极限。1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出的摩尔定律预测，每隔18个月到24个月，芯片的晶体管密度就会增加一倍。然而，以硅为基础的电子芯片发展了几十年后，承载能力已经逼近物理理论的极限。光子芯片的出现，被看作突破摩尔定律的重要途径之一。

光子芯片是一种利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的芯片。相比传统的电子芯片，光子芯片具有显著的优势：

• 计算速度更快：光信号以光速传输，速度得到巨大提升；理想状态下，光子芯片的计算速度比电子芯片快约1000倍。
• 能耗更低：光子计算消耗能量少，光计算功耗有望低至每比特10—18焦耳（10—18J/bit），相同功耗下，光子器件比电子器件快数百倍。
• 并行处理能力：光具有天然的并行处理能力以及成熟的波分复用技术，从而使光子芯片的数据处理能力、容量及带宽均大幅度提升。
• 抗干扰性强：光子芯片不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响，稳定性更高。

光子芯片的这些优势使其在多个领域展现出广阔的应用前景：

• 量子计算：光子芯片是实现量子计算的重要途径。近期，谷歌发布的新一代量子计算芯片“Willow”和中国“祖冲之三号”超导量子计算机都在量子比特数量和纠错能力上取得了重要突破。其中，“Willow”能够在不到5分钟的时间完成一个“标准基准计算”，如果用当今最快的超级计算机，完成这项计算需要“10的25次方”年的时间，比宇宙的年龄还长。
• 人工智能：在AI领域，光子芯片的高速度和低功耗特性使其成为理想选择。特别是在处理大规模数据和复杂算法时，光子芯片能够提供更强的算力支持。例如，上海交通大学研制的新型光子张量处理芯片，实现了高速张量卷积运算，为AI计算提供了新的解决方案。
• 通信领域：在光通信领域，光子芯片已经被大量使用。随着5G和数据中心的快速发展，对高速光模块的需求持续增长。根据数据显示，2022年，我国在用数据中心机架数量达到650万架，2018-2022年CAGR超过30%；2019-2022年，我国智能算力规模由30EFLOPS左右增长至268.0EFLOPS。
• 其他领域：在自动驾驶、物联网、医疗健康、国防装备等领域，光子芯片也有广泛的应用前景。例如，激光雷达、光传感技术在自动驾驶中的应用，以及在生命科学研究中的高精度检测等。

在全球范围内，光子芯片技术已成为各国争夺的科技制高点。美国、欧洲和日本等发达国家和地区都已将光子技术纳入国家战略规划。美国早在1991年就成立了“美国光电子产业振兴会”，2014年又建立了“国家光子计划”产业联盟。欧盟也将光子技术纳入“地平线2020”等战略计划。

中国在光子芯片领域也取得了重要进展。例如，上海交通大学无锡光子芯片研究院的中试线已建成启用，具备98台CMOS工艺设备和CIM芯片智能制造系统。中国科研人员在光子集成电路、光子晶体管、光计算等方面也取得了重要突破。这些成果不仅展示了中国在光子芯片技术方面的实力，也为全球光子芯片产业的发展做出了重要贡献。

尽管光子芯片技术展现出巨大的潜力，但要实现大规模商业化仍面临一些挑战：

• 硬件规模化与稳定性：当前的量子芯片仍局限于数百个量子比特，而解决复杂实际问题可能需要上百万的纠错量子比特。
• 运行环境要求：如谷歌的“Willow”是超导量子芯片，需要在毫开尔文的低温环境下运行，设备体积庞大且成本高昂。
• 软件生态与应用开发：量子算法尚未完全适配实际需求，需要与具体应用场景进一步结合。

尽管如此，光子芯片作为下一代信息处理技术的重要方向，其发展前景依然十分乐观。根据ICVTA&K的预测，全球2023年量子产业的总体市场规模或达到72.4亿美元，到2030年，全球量子产业市场规模或可达到2391亿美元，复合年增长率高达65%。

随着技术的不断进步和产业链的完善，光子芯片有望在未来5-10年内在特定领域实现商业化应用。在量子化学模拟、加密破解等特定领域，可能会更早出现实用化的解决方案。而要实现通用量子计算，则可能还需要10-20年的时间。

中国在光子芯片领域的研究进展令人瞩目。李传峰教授团队的最新研究成果，不仅展示了中国在量子科技领域的实力，也为全球光子芯片技术的发展注入了新的动力。随着研究的深入和产业化的推进，光子芯片有望成为未来科技发展的重要引擎，为人类社会带来深远的影响。