光量子芯片与传统芯片有何区别？为何说一旦光量子芯片问世，光刻机将不再是刚需？

光量子芯片与传统芯片有何区别？为何说一旦光量子芯片问世，光刻机将不再是刚需？

量子计算作为下一代计算技术的前沿领域，光量子芯片因其独特的计算优势而备受关注。与传统芯片相比，光量子芯片不仅在集成度、精准度和稳定性方面具有显著优势，更能在大数据时代提供更强大的计算能力。本文将为您详细解析光量子芯片的工作原理及其与传统芯片的区别，并探讨其对光刻机需求的影响。

9月10日，在国内量子计算领域占据重要一席的我市企业本源量子发布未来五年量子计算技术规划路线图。路线图显示，到2025年，该公司将突破1000位量子比特，达到1024位量子比特，这将意味着专用量子计算机的形成，并将实际运用到一些行业领域中。

众所周知，早在2008年时，英国就最先提出了集成光量子芯片的概念。与传统芯片相比，光量子芯片是一种全新的芯片形态，有着传统芯片无法企及的优势，也有着暂时比不上传统芯片的缺陷。

光量子芯片与传统芯片最不同的一点，就在于它是以光来做载体，用光代替电，利用微纳加工工艺，在芯片上集成大量的光量子器件。相比传统芯片，这种芯片的集成度更高精准度更强也更加稳定，同时也具有更好的兼容性。

传统芯片的精度取决于最小晶体管的直径，单个晶体管越小，构成整个芯片的晶体管就越多，芯片的计算能力也就越强，使用此芯片的电子产品也能相应地具备更强的运算能力。

目前，世界上最先进的传统芯片制造技术，是台积电和三星的5纳米量产技术，比如iPhone12使用的就是5纳米芯片，其单个晶体管只有5纳米大小，一个芯片上的晶体管数量就能超过百亿。前不久，三星已经对外展示了3纳米芯片，预计2021就能够完成量产。

而集成电路芯片的极限是0.1纳米，也就是芯片的制造设备光刻机的物理极限。但纳米再小，它也是一个准确的度量单位，可量子却是目前已知最小的物理单位，是一个主要用于微观世界的概念。

按照单个组成部分的体积越小，芯片整体的计算能力就越强这个规律来看，在传统半导体工艺基础上，利用光量子效应实现高效计算的光量子芯片，从性能上来说，将远远超过传统芯片能做到的极限。

当前我们已经迈入了大数据时代，5G物联网时代的数据洪流，需要计算系统有更高的性能、更低的功耗和更快的速度，传统芯片的计算能力已经无法满足日益增长的计算需求，光量子芯片才是解决这一问题的关键。

其实世界各国都很清楚，量子计算将是未来极其重要的科技，就像当年的蒸汽机、电气、计算机一样，量子计算也开启了一个崭新的领域，谁能在这个领域中跑到前端，谁就能在未来的发展中占据主动权。

目前，这一领域还只是刚刚开启，各国都还在起步阶段，没有明显的领跑者。3年前漂亮国就制定了10年量子计划，许多国际大企业都开始了量子的相关研究，欧盟也在这个领域投资了14万亿，而我国于2018年成立了北京量子信息科学研究院，所有国家都在摩拳擦掌准备抢占先机。

既然光量子芯片这么强大，为什么我们一开始还要发明传统芯片呢？光量子芯片有什么缺点吗？虽然相比于电光更不容易受影响，也不容易被干扰，但光也同样具有极易损耗的特点，想要完好地保存住光，是一个比保存电难上数倍的问题。

光量子芯片与传统芯片有何区别？

量子芯片进行的是量子计算，而数字集成电路芯片进行的是数字计算。

数字集成电路芯片中，由高低电平来代表二进制算法中的0和1，并通过由三极管、mos管构成的逻辑门进行逻辑运算。

而量子芯片中需要完成的是量子计算，由两个不同的量子态|0>和|1>来代表量子算法中的0和1，其运算也需要有相应的量子逻辑门，与数字电路相比，可进行叠加态运算以及叠加态存储。

这里，就重点介绍下叠加态的运算和存储。

对于一个函数f(x)，我们要带入100个x值，获得100个结果，请问需要计算多少次？

在经典计算中，答案很简单，算100次呗，带一次x值算一次。

但是在量子计算中，只需要算1次就可以了。

由于量子计算过程中，计算单元是由量子态构成的量子比特，所以所有的x值都是量子化的，100个x值可以叠加成一个混合态，带入到量子芯片中计算一次后，就能获得100个结果的混合态，再经过相应的测量，就能找到对应x值的结果。

那么相应的叠加态存储也好理解了，100个x值我们可以混成一个状态进行存储，不需要100个存储器。

既然二者进行的是完全不同的运算，具体到相应的器件差别就更大了。量子芯片的优势就在于可对大量初值进行量子态叠加，加强了计算效率。

光子芯片和量子芯片哪个强

光子芯片和量子芯片是两个维度的概念，没有强弱之分。光子芯片运用的是半导体发光技术，产生持续的激光束，驱动其他的硅光子器件；量子芯片就是将量子线路集成在基片上，进而承载量子信息处理的功能。

光子芯片可以将磷化铟的发光属性和硅的光路由能力整合到单一混合芯片中，当给磷化铟施加电压的时候，光进入硅片的波导，产生持续的激光束，这种激光束可驱动其他的硅光子器件。

这种基于硅片的激光技术可使光子学更广泛地应用于计算机中，因为采用大规模硅基制造技术能够大幅度降低成本。量子芯片的出现得益于量子计算机的发展。要想实现商品化和产业升级，量子计算机需要走集成化的道路。超导系统、半导体量子点系统、微纳光子学系统、甚至是原子和离子系统，都想走芯片化的道路。

从发展看，超导量子芯片系统从技术上走在了其它物理系统的前面；传统的半导体量子点系统也是人们努力探索的目标，因为毕竟传统的半导体工业发展已经很成熟，如半导体量子芯片在退相干时间和操控精度上一旦突破容错量子计算的阈值，有望集成传统半导体工业的现有成果，大大节省开发成本。

以前的光量子芯片需要在绝对零度的环境下才能够正常工作，也就是周围温度需要降至零下273.15摄氏度。但这一特点就暂时很难应用到日常生活中来，想要保持绝对零度的工作环境，又不影响到使用者，这是一个巨大的难题。

也正因如此，虽然大家都知道，光量子芯片比传统芯片有更强大的计算能力，但是却并不看好光量子芯片。毕竟要解决绝对零度环境的问题，可远比传统芯片的精度升级更困难。

如果光量子芯片能够成功商用，这意味着一直以来制作芯片的必需品光刻机将不再刚需。要知道，目前所有的量产芯片，都要靠光刻机完成，而光刻机是全世界最高科技的集合结晶，也被称为人类工业皇冠上的明珠。

更夸张的是，直至目前为止，全世界也只有荷兰的阿斯麦，这一家公司能够生产EUV高级光刻机。毕竟他们先是需要从全球各国进口超过10万个零件，然后再将这些零件组装到一起，再经过长达一年以上的调试，才能够最终完成一台光刻机的生产。

由于对零件和生产工艺的高要求，因此光刻机的产能一直很低，世界光刻机市场常年处于供不应求状态，阿斯麦直到现在卖出的EUV光刻机，也只有100台而已，并且还不是有钱就采购得到。

正是因为光刻机是芯片生产的必要设备，所以封锁住一个国家的光刻机进口，就能限制住这个国家芯片行业的发展。美国就是用这样的方式，通过对阿斯麦施压，禁止他们将EUV光刻机卖给我国，从而阻碍我国芯片行业的发展。

但光量子芯片的出现，将完全改变这一情况。因为制作工艺的不同，光量子芯片不需要光刻机也能生产，这也意味着目前最先进的5纳米、3纳米芯片制程将不再是最顶尖的芯片技术，追求更小纳米的芯片会完全失去意义。

也就是说，芯片制造业将成为一个全新的行业，我国也不会再因为买不到光刻机，而在芯片制造领域被人卡住脖子。但距离光量子芯片的大规模商业化，还有很长的道路要走，或许要用上几年，甚至十几年的时间也说不定。

不过，我国也没有完全将解决芯片封锁困局的希望放在这个上面，而是坚持走自主研发的道路，寻求更多的解决办法。其中，我国中芯国际就独创了一种n+1技术，通过多重曝光等特殊工艺，不用EUV光刻机也能完成高端芯片的量产。

目前，我国已经掌握了7纳米芯片的量产技术，预计在明年4月份就能实现风险量产，届时我国中芯国际有望成为全世界第三个掌握10纳米以下芯片制程的企业，也将是第一个没有EUV光刻机仍能量产高端芯片的企业。

近年来，我市在量子领域取得了诸多成果。如，自主研发了国内第一台量子计算测控一体机、上线了自主研发的量子计算云平台、发布了全国第一款量子计算机操作系统。

量子计算机何时能走进人们的生产生活？

“说到行业的落地应用，就必须从量子芯片位数谈起。当量子芯片位数达到50+比特时，对于量子计算来说，就是一个飞跃式的发展。”本源量子总经理张辉介绍，根据“路线图”，预计2021年年底该公司将推出64比特超导量子芯片，2022年初尝试突破144比特；到2025年，将实现1024量子比特。

据了解，目前本源量子自主研发的量子计算机正在朝着新阶段迈进，即从量子计算机原型机到NISQ量子计算机（Noisy Intermediate-Scale Quantum含噪声中等规模量子计算机）转变。据介绍，当量子比特数达到50~100时，量子计算机就有可能进行有价值的量子计算，并且有希望解决某些经典计算机难以解决的量子化学和材料科学等研究中的重要问题。“NISQ时代还有望开发更多的启发式算法，与经典计算配合探索更多的场景应用。”

需要注意的是，1000+量子比特的量子计算机是面向通用量子计算机拓展的关键节点，对于未来量子计算机的技术路线走向也起着“奠基石”的作用。一旦超导物理体系的量子计算机达到1000+量子比特，可能就是颠覆性的突破。不过对于通用量子计算机而言，可能还需要达到百万比特。目前来看，实现通用量子计算机要攻克的一个最大的难题就是解决纠错和容错的问题，一旦突破，通用量子计算机‘实用’便指日可待。”

文章来源： 合肥日报，科技前沿阵地，宇宙解码