为什么建立专门的量子芯片加工实验室很重要？量旋科技项金根深度对话实录

433个量子比特！11月9日，IBM再次兑现其制定的技术路线图，发布全新一代量子计算机Osprey，其内置芯片（Ospreychip）支持433量子比特位。消息一出，迅速在国内量子计算行业引发强烈反响。

Osprey处理器的分解图|图源：IBM官网

IBM技术路线图|图源：IBM官网

据悉，Osprey计算机量子比特数是IBM去年发布的Eagle计算机的3倍。在配置方面，与Eagle一样，Osprey采用“多级布线”架构，为信号路由和设备布局提供了灵活性，同时还加入了集成滤波功能，以减少噪声和提高稳定性。

其次，Osprey还具有最新的控制电路，可以与量子计算机的相关设备匹配，输出精确的信号、频率与功率。另外，Osprey可使同一台设备同时控制400多个量子比特。

具体来讲，Osprey计算机含有可在低温下运行的纳米芯片。该芯片可以在-269.15℃的低温下发挥作用，并将电路进行了集成，借此降低设备体积与使用过程中的能量损耗，可以运行更多量子比特。

此外，Osprey运用柔性带状电缆替代了之前Eagle中使用的微波电缆。柔性带状电缆既可以在低温条件下使用，也不会因为过多的热量输出使不同的量子比特之间发生干扰。

为何IBM能屡屡兑现其制定的技术路线图？
如何深度理解Osprey芯片“多级布线”架构？
柔性带状电缆会成为未来主流吗？
面对与国外的差距，我国量子计算企业接下来如何发力？

针对以上这些问题，量旋科技创始人兼CEO项金根博士，在11月25日做客光子盒“量子纠缠π”圆桌论坛，与中国科学院物理研究所量子计算研究中心研究员姬忠庆，成都中微达信科技有限公司创始人、董事长曾耿华深度解析“IBM 433个量子比特超导量子计算机及对中国的影响”。以下是项金根博士发言实录，欢迎对量子计算感兴趣的朋友阅读分享。

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“IBM的朋友跟我说，5比特超导量子计算机造好了，带你去看看”

Q1：为什么IBM能屡屡兑现其制定的技术路线图?

项金根：我认为，IBM在规划技术路线图的时候，就是按照自己技术和工程能力来规划的。在超导量子计算领域，IBM有非常深厚的技术积累，这些积累包括他们原来在半导体领域，以及后来在量子计算领域的积累。

我们可以看到，在超导量子芯片的加工工艺里面，其实大量地用到半导体加工的一些工艺以及设备。而作为一家老牌半导体公司，IBM在原有半导体领域的深厚积累，对他们从事量子芯片的设计及加工是有非常大的帮助的。从这一点来说，世界上其他量子计算公司与IBM相比，都是有一定差距的。

另外可能大家都没想到，IBM研究量子计算有很长的一段历史了。早在1990年代，他们就有一个专门从事量子计算研究的团队。1996年，时任IBM量子部门负责人的David DiVincenzo提出了“实现量子计算机的五大判定原则”——

1、具有可掌控的量子比特,并具有可扩展性；
2、能够将量子比特初始化到一个简单的量子态；
3、能在较长时间内保持量子相干性,或者说退相干时间要远大于量子逻辑门操作时间；
4、能够进行普适量子逻辑门操作；
5、能够进行单量子比特的测量。

所以从这一点来讲，事实上IBM很早时候就处于量子计算行业领头羊的地位了。

而要说IBM的量子计算走入大众视野，还要以2016年5比特量子计算云平台的发布为开端。说到5比特量子计算云平台，其实在它正式发布之前，我和我的太太曾蓓教授就有幸在IBM的实验室见过真机。

当时应该是3月份，美国马里兰州有一个量子信息会议，趁着孩子放春假，我们全家开车一起过去。中间路过IBM Watson研究中心的时候，我们就进去看看IBM量子计算团队的老朋友。到那以后，朋友们很兴奋地告诉我，他们的5比特超导量子计算机造好了，可以稳定运行了！当时Charles Bennett也在场，他就对我们说：“你们去看量子计算机吧，我替你们看孩子。”这是我们第一次见到能够稳定运行的超导芯片量子计算机。在这之前，量子计算机可能只能算是实验室的一个玩具；而在那以后，IBM量子计算机开始真正走向工程化，为大家所熟知。

“量子计算机的发展，绝不是单纯提升比特数和改进芯片工艺。”

Q2:“IBM一直没有就它的产品发布论文，以及披露更详细的测试报告，那我们如何评价其量子计算机的性能呢？”

项金根：量子计算机的性能主要包括三个指标，第一是比特数；第二是比特门的保真度，包括单比特门和双比特门；第三是比特门的相干时间,也就是指比特的寿命。

从第一个指标来讲，比特数自不用说，第三指标比特相干时间，IBM在127比特芯片上已经突破了510us，是世界最高水平。现在大家主要对它第二个参数有疑虑，也就是比特门的保真度。

此外，IBM的芯片特殊的架构（重六边形 heavy hex lattice）也导致了很多问题，例如：需要相邻比特频率差小于非谐，那就对工艺提出了很高的要求；没有使用可调耦合器，可能导致比特多的情况下串扰严重；最重要的是，他们只能实现CR门，平均时长为数百ns，运算速度极慢。我认为IBM要把全部性能都优化好，或许还需要时间来完成。

所以，量子计算机的发展，绝不是单纯提升比特数和改进芯片工艺就够了的。在未来，芯片架构、逻辑门设计等方面的重要性，也会逐渐显现出来。

“IBM‘多级布线’结构可支撑芯片大面积扩展及防止信号串扰。”

Q3.如何深度理解IBM Osprey芯片的“多级布线”架构？

项金根：要回答这个问题，我们首先还是要了解量子芯片的结构。

无论经典计算机还是量子计算机，信息的载体都是比特，在经典计算机里叫经典比特，在量子计算机里叫量子比特。利用比特进行计算的单元是芯片，在经典计算机里我们熟称“CPU”，在超导量子计算机我们则称为“量子芯片”。

在经典计算机中，CPU主要部分就是一些晶体管，然后由晶体管组成各种逻辑门，逻辑门再组成各种运算单元。对于经典计算机来说，逻辑门是实实在在的，比特则是虚的，因为它是由高低脉冲来表示比特状态的。一旦断电，比特状态就没有了。

而量子芯片恰恰相反。量子芯片核心部件是量子比特，它实实在在存在于量子芯片上。逻辑门反而是虚的，并不存在于量子芯片上，而是通过发射不同的射频脉冲来实现。那么这些脉冲信号是如何和量子比特结合起来的呢？我们就需要通过控制射频线来进行。所以其实在量子芯片中，量子比特和逻辑门是可以分开的。另外当量子计算机运算完成后，需要一个读出设备，在量子芯片中这个设备被称为“谐振腔”，因而量子芯片包含三要素：量子比特、射频线以及谐振腔。

Osprey芯片的多级布线架构，就是把量子比特、谐振腔以及控制线做在不同层的芯片上，这样做的一个好处，是可以提供更多空间来放置比特，支撑芯片的大面积扩展。

当量子比特数量特别少的时候，量子比特、谐振腔以及射频线是在同一层的，但这会严重影响量子比特的排列。因为如果你在同一层把量子比特排完后，再把控制线、射频线等都放进去，就会极大地限制其设计，因为这些线不能交叉。所以后面大家为了提高量子比特的排列，都会把射频线以及谐振腔分到其他层上。

另外采用“多级布线”架构还可防止信号的串扰。大家都知道，量子比特是一个很脆弱的东西，特别容易受到干扰，比如量子芯片自身的一些缺陷，环境温度的噪声，更重要的还包括射频线、控制线的射频信号串扰。所以从这一点来说，如果能把射频线和量子比特分层，再加一些屏蔽技术的话，就能大大减少射频信号对量子比特的串扰。

“让芯片量级到达几百上千比特，必然要用柔性线。”

Q4：在Osprey芯片中，同轴电缆被柔性带状电缆取代，能简单介绍一下这项技术吗？国内是否有相同、或者类似效果的技术，目前进展如何？

项金根：柔性带状电缆肯定是未来发展的趋势。当量子比特数发展到几百上千的时候，是必然要用到柔性线的。因为如果每一个比特都用刚性线来做的话，首先是没那么大的空间；其次是会消耗大量的人力。举个例子我要做1000个比特，那么最少就需要排1000根线，光是检查这些线接对了没有就要耗费大量精力，所以最后肯定要用柔性线来做的。

当然，在量子计算领域，柔性线也不是IBM首创，Rigetti早在2019年就发表过相关文章，里面详细描述了相关设计参数与实测的数据。现在国外代理商也在中国卖这种电缆，也就是说，目前柔性线是可以直接买到的。不过国内暂无做类似产品的公司。

然而，就目前100来个比特的规模而言，柔性线的优势还没那么明显。首先它的性能比刚性线或者半柔性线还是要差一点，另外它的价格目前也比较贵，虽然每一条柔性线只比刚性线贵5000到1万元左右，但当数量很多的时候，成本还是会高很多的。

所以还是看未来发展，当量子芯片发展到几百上千个比特的量级，同时柔性线价格能够慢慢降下来，应该就有越来越多的人会使用了。

“对国内量子计算企业来说，有自己的量子芯片加工实验室很重要。”

Q5：在量子计算上，我们和国外还是有一定差距，那接下来我们该朝哪个方向发力呢？

项金根：我认为，目前在几十几百比特量级上，芯片设计不存在很大的问题，难点主要集中在加工工艺上。工艺的迭代是一个很复杂的过程，里面有很多不可控的因素，需要尝试非常多的参数。所以我们不得不承认IBM的先进性，其在半导体工艺上的深厚积累，为其加工量子芯片带来很多帮助。

国内的话，一方面我们在半导体领域的积累本就少一点，另一方面我们也少有专门进行量子芯片加工的实验室，或者说这个实验室有，但不一定是专门给量子计算团队用的，可能也要用于半导体加工。这样一来，仪器的稳定性以及对整个工艺的摸索就会受到一定影响。

所以对于国内量子计算产业从业者来说，我觉得建立专门的量子芯片加工实验室是很重要的，有了专门的量子芯片加工实验室，才有可能摸索出一套成熟的芯片加工工艺，继而制造出稳定可靠的量子芯片。

我们量旋科技目前也正在往这个方向发力，公司自主投资建设的超导量子芯片实验室已经完工落成，未来能够进一步支持超导量子芯片的加工制作，同时让全链条更加自主可控。