芯耀
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作者：鵬程
量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。廣義上，當(dāng)某個裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時，就可稱之為量子計(jì)算機(jī)。
?01量子計(jì)算機(jī)大戰(zhàn)正酣
2019?年，美國谷歌公司研制出?53?個量子比特的計(jì)算機(jī)?“懸鈴木”，在全球首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，開啟了量子計(jì)算的新時代。2024?年底，谷歌亮出新一代?Willow?芯片，展現(xiàn)出強(qiáng)大的計(jì)算能力，5?分鐘就能搞定傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需?10?的?25?次方年才能算完的題目。
2025?年，微軟發(fā)布了全球首款基于拓?fù)淞孔颖忍丶軜?gòu)的量子計(jì)算芯片?Majorana 1。該芯片采用半導(dǎo)體砷化銦與超導(dǎo)體鋁合成的拓?fù)鋵?dǎo)體材料，通過操控馬約拉納粒子實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性量子位運(yùn)算。作為微軟近?20?年拓?fù)淞孔友芯康暮诵某晒?，Majorana 1?首次驗(yàn)證了單芯片擴(kuò)展至百萬量子位的技術(shù)可行性，被應(yīng)用于數(shù)學(xué)問題驗(yàn)證與原型機(jī)開發(fā)，有望推動材料科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域取得重大突破。
在國際上，其他國家也在積極推進(jìn)量子計(jì)算的發(fā)展。
2025?年?3?月，芬蘭國家技術(shù)研究中心和?IQM?量子計(jì)算機(jī)公司推出歐洲首臺?50?量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。芬蘭于?2020?年?11?月首次公布其在量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展計(jì)劃，政府共撥款?2070?萬歐元用于開發(fā)?50?量子比特量子計(jì)算機(jī)。該計(jì)劃分三個階段，2021?年研發(fā)出?5?量子比特量子計(jì)算機(jī)，2023?年研發(fā)出?20?量子比特量子計(jì)算機(jī)，50?量子比特量子計(jì)算機(jī)的推出標(biāo)志著第三階段完成。
此外，加拿大?Xanadu?量子技術(shù)公司開發(fā)出全球首臺可擴(kuò)展光量子計(jì)算機(jī)原型，研究人員采用了模塊化設(shè)計(jì)理念來構(gòu)建這臺量子計(jì)算機(jī)，初始階段構(gòu)建一個包含少量量子位的基本單元，適用于最基礎(chǔ)的應(yīng)用場景，隨著需求增長，可以通過添加更多相同類型的單元來擴(kuò)展計(jì)算能力，這些單元通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，共同構(gòu)成一臺大型計(jì)算機(jī)，每個新增的單元或量子服務(wù)器機(jī)架都會增加整體處理能力，由于整個系統(tǒng)基于光子技術(shù)，因此無需將光子組件與傳統(tǒng)電子組件結(jié)合使用。
在國內(nèi)，2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建?76?個光子的量子計(jì)算原型機(jī)?“九章”，使中國成為全球第二個實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家，在量子計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)了重要一席之地。2021?年，潘建偉團(tuán)隊(duì)再接再厲，成功研制含?113?個光子的?“九章二號”?和?66?比特的?“祖沖之二號”?量子計(jì)算原型機(jī)，讓中國成為在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線上都實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家，進(jìn)一步鞏固了中國在量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。2023?年?10?月?11?日，量子計(jì)算原型機(jī)?“九章三號”?成功構(gòu)建，其計(jì)算能力令人驚嘆，1?微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前全球最快的超級計(jì)算機(jī)約需?200?億年才能完成。2025?年?3?月?21?日，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)正式發(fā)布光子量子計(jì)算機(jī)?“九章?4?號”，實(shí)現(xiàn)了?3000?個光子協(xié)同操控，單比特誤差率僅?0.001%，處理高斯玻色取樣任務(wù)的速度比超級計(jì)算機(jī)快?10^32?倍，再次刷新了量子計(jì)算的速度紀(jì)錄。
本源量子計(jì)算科技（合肥）股份有限公司于2024年1月6日上線運(yùn)行了我國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”。該量子計(jì)算機(jī)搭載72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”，是目前先進(jìn)的可編程、可交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。科研人員介紹，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)是基于超導(dǎo)電路量子芯片的量子計(jì)算機(jī)，國際上，IBM與谷歌量子計(jì)算機(jī)均采用超導(dǎo)技術(shù)路線。“本源悟空”匹配了本源第三代量子計(jì)算測控系統(tǒng)“本源天機(jī)”，真正落地了量子芯片的批量自動化測試，大大提升了量子計(jì)算機(jī)的整機(jī)運(yùn)行效率。其搭載的72位超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”，共有198個量子比特，其中包含72個工作量子比特和126個耦合器量子比特。截至今年6月4日，“本源悟空”已為143個國家和地區(qū)的用戶完成超50萬個量子計(jì)算任務(wù)，全球訪問量突破2900萬次，刷新中國自主量子算力服務(wù)規(guī)模紀(jì)錄，成為全球量子計(jì)算領(lǐng)域的重要參與者。2025年6月，我國首條量子芯片生產(chǎn)線在合肥正式啟用，年產(chǎn)能達(dá)1000片，標(biāo)志著量子計(jì)算技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室邁向產(chǎn)業(yè)化。該生產(chǎn)線由本源量子建設(shè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、流片到封裝測試全流程國產(chǎn)化，關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化率超90%，突破歐美技術(shù)壟斷。
中電信量子信息科技集團(tuán)有限公司于2024年12月正式發(fā)布全國單臺比特?cái)?shù)最多的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)?“天衍?504”，標(biāo)志著其具備了全球領(lǐng)先的量子計(jì)算機(jī)制造和交付能力。2023?年?11?月，中國電信發(fā)布了全球首個具備量子優(yōu)越性能力的超量融合云平臺?——“天衍”?量子計(jì)算云平臺，通過?“天翼云”?超算算力和?176?個超導(dǎo)量子比特算力的融合，為各類用戶提供便捷簡單的量子計(jì)算服務(wù)。2024?年?4?月，504?比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片?“驍鴻”?交付?；?“驍鴻”?芯片，中電信量子集團(tuán)和科大國盾量子技術(shù)股份有限公司聯(lián)合研發(fā)出國內(nèi)單臺比特?cái)?shù)最多的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)?“天衍?504”，并通過?“天衍”?量子計(jì)算云平臺向全球開放。該平臺由一臺?24?比特、兩臺?176?比特和一臺?504?比特量子計(jì)算機(jī)組成國內(nèi)最大的量子計(jì)算集群，并提供?5?類運(yùn)算性能世界一流的高性能仿真機(jī)和?Cqlib?量子編程框架，實(shí)現(xiàn)了算力規(guī)模和算力類型的雙重升級。
?02量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模應(yīng)用前夜，這是關(guān)鍵
盡管量子計(jì)算取得了顯著進(jìn)展，但要研制成功真正的通用量子計(jì)算機(jī)還有很長的路要走，國際主流觀點(diǎn)認(rèn)為，這至少還需要?5?年到?10?年的時間。IBM?在?2019?年提出刻畫量子芯片性能的?“量子摩爾定律”，即量子芯片的量子體積每年至少增加一倍。隨著量子比特?cái)?shù)的指數(shù)性增長，對于量子電子設(shè)計(jì)自動化的需求也越來越大，而?Q-EDA?工具可以有效提升量子芯片研發(fā)的效率。
2021?年?3?月，IBM?推出了?Qiskit Metal，一款基于?Python?用于超導(dǎo)量子芯片的開源電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）軟件。2021?年?6?月，芬蘭量子硬件初創(chuàng)公司?IQM?公布了其開源軟件工具?KQCircuits，用于超導(dǎo)量子芯片版圖的自動化設(shè)計(jì)，通過該工具可以對芯片版圖進(jìn)行一定程度的檢查優(yōu)化，減少微納加工的成本。2022?年?3?月，百度量子計(jì)算研究所在國際頂會?QIP2022?上介紹了其在量子芯片自動化設(shè)計(jì)工具方面的研發(fā)進(jìn)展，支持?2D?與?3D?超導(dǎo)量子芯片的自動化設(shè)計(jì)和仿真，給定設(shè)計(jì)任務(wù)，能夠生成量子芯片的版圖以及微納加工所需的?gds?文件，并對量子芯片性能進(jìn)行仿真，整個設(shè)計(jì)和仿真過程均可自動化地進(jìn)行，大大提升了量子芯片研發(fā)的效率。如今全球各大頂級高科技公司和高校正逐步投入研究力量開展?QEDA?工具的研發(fā)，積極布局未來量子芯片市場，以期在未來量子優(yōu)勢的競爭中搶占先機(jī)。
?03提前布局Q-EDA，把握下一世代機(jī)遇
與傳統(tǒng)?EDA?自上而下規(guī)范化的集成電路設(shè)計(jì)檢驗(yàn)流程相比，目前業(yè)界典型的量子芯片設(shè)計(jì)非常類似于早期的?CAD?計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，過度依賴實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，量子芯片的設(shè)計(jì)與研發(fā)相對隨意，設(shè)計(jì)人員需要在多個不同的軟件之間輾轉(zhuǎn)，手動完成量子芯片設(shè)計(jì)、布線等工作，此方法在研發(fā)小規(guī)模量子芯片時勉強(qiáng)夠用，但隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，利用人工設(shè)計(jì)成千上萬乃至百萬量子比特構(gòu)成的量子芯片顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此，量子電子設(shè)計(jì)自動化工具的研發(fā)勢在必行。
芯片設(shè)計(jì)高度依賴EDA軟件，如果說光刻機(jī)是“芯片之父”，負(fù)責(zé)將芯片設(shè)計(jì)付諸物理實(shí)現(xiàn)，那么EDA便是“芯片之母”。在量子計(jì)算時代，Q-EDA作為量子芯片設(shè)計(jì)的核心工具，其自主化研發(fā)已成為突破技術(shù)封鎖、搶占產(chǎn)業(yè)先機(jī)的關(guān)鍵。
但當(dāng)前在傳統(tǒng)芯片?EDA?領(lǐng)域，我國由于起步晚，一直處于追趕地位，如今量子計(jì)算機(jī)時代，急需提前布局把握機(jī)遇。芯片設(shè)計(jì)離不開?EDA?設(shè)計(jì)軟件，為使國內(nèi)的量子科技公司在與外國科技巨頭競爭中不再落后，避免在量子計(jì)算機(jī)時代再像傳統(tǒng)芯片?EDA?那樣受制于人，2022?年初，本源量子發(fā)布國內(nèi)首個量子芯片設(shè)計(jì)工業(yè)軟件?“Q-EDA”?本源坤元，它能同時支持超導(dǎo)和半導(dǎo)體量子芯片自動化設(shè)計(jì)，是高效進(jìn)行大規(guī)模量子芯片工程設(shè)計(jì)的必要工具。
近日，安徽省量子計(jì)算芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布消息，國產(chǎn)量子芯片設(shè)計(jì)工業(yè)軟件Q-EDA“本源坤元”完成第5次技術(shù)迭代。此次迭代成功突破大規(guī)模量子芯片設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸，為我國量子芯片自主研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程注入新動能。
“本源坤元”?由本源科儀?(成都)?科技有限公司完全自主研發(fā)，自?2022?年首次發(fā)布并填補(bǔ)國內(nèi)空白以來，“本源坤元”?圍繞?“大規(guī)模、高精度、自動化”?目標(biāo)，已穩(wěn)步完成?5?次迭代升級。以?72?比特量子芯片設(shè)計(jì)為例，此次迭代后的?“本源坤元”?在工藝設(shè)計(jì)套件的支持下，已實(shí)現(xiàn)自動化一站式快速版圖生成，僅需?6?分?50?秒即可完成?72?比特芯片的完整版圖繪制。
設(shè)計(jì)量子芯片就像建造房屋，既要精心規(guī)劃空間布局?(量子芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))，又要優(yōu)化關(guān)鍵的?“水電布線”(量子比特連接)。本源科儀?(成都)?科技有限公司總經(jīng)理李舒嘯介紹，“本源坤元”?第?5?版核心突破在于布線靈活性的全面升級，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了空間極限場景下的全自動布線功能，并靈活提供多種半自動修線工具，且兼顧了設(shè)計(jì)效率與操作自由度。安徽省量子計(jì)算芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭國平表示，此次軟件升級進(jìn)一步突破了大規(guī)模量子芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸，成功實(shí)現(xiàn)千萬級網(wǎng)格量的建模和量子芯片參數(shù)數(shù)值計(jì)算，有力增強(qiáng)了我國在量子計(jì)算核心環(huán)節(jié)的競爭力。
在量子計(jì)算這場激烈的全球競爭中，中國通過在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)和?Q-EDA?工具布局等關(guān)鍵領(lǐng)域的提前規(guī)劃和持續(xù)投入，正逐步在量子計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，為未來在量子科技時代的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，中國有望在量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大的突破，引領(lǐng)全球量子科技的發(fā)展潮流。
