http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2018-01-
近年来，中国的互联网技术、物联网产品和自动化装备在各行各业迅速普及。图为在中国国际物流科技博览会上，中国科技吸引观众驻足观看。王路宪摄 人民图片发
一块指甲盖大小的芯片，其中可能深藏着10亿多个晶体管。作为关键技术，芯片被誉为一个国家的“工业粮草”。近年来，中国电子信息产业整体规模高速发展，却频频在“核芯技术”上被海外巨头“卡脖子”。十几年来，芯片进口超过石油成为中国最大宗进口产品，可谓“芯有千千结”。
这种局面在最近一段时间开始改观，中国国产芯片频频打破海外垄断，部分芯片还走向海外，让世界惊艳。中共十九大报告提出，更好发挥政府作用，推动新型工业化、信息化等同步发展。而加快信息领域核心技术自主创新，推进核心芯片等前沿技术研究，抢占信息技术发展制高点，是实现这一目标的重要环节。
“芯病”不如行动
2015年春天，一则消息在全球超算领域炸开了锅。美国商务部出台新规，对中国4家超算中心禁运英特尔“至强”服务器芯片。市场分析认为，此举是对中国“天河2号”超级计算机的“精确狙击”。
然而，正是这样的举动，倒逼“中国芯”走上自主研发的道路。两年后，在2017年11月份发布的第50届全球超级计算机500强榜单中，中国超级计算机夺冠，并在入围总量以及总体性能方面“称霸”榜单。
中科曙光公司高性能计算产品事业部总经理李斌表示，国产处理器性能已经不弱于国外处理器，使用中国芯片制造的“神威·太湖之光”超级计算机计算性能就十分强劲。
2017年超级计算机大会主席贝恩德·莫尔认为，当初禁运服务器芯片的决定，对美国伤害很大。“中国科研人员本来想从美国买些东西，美国也原本可以从中获利，但现在中国人只好自己研发制造。随后，美国人发现，他们现在多了一个竞争对手。”莫尔说。
超算领域的“芯突破”可谓近年来中国芯片研发生产加速发展的一个缩影。长期以来，由于不掌握核心技术，中国每年花费巨额外汇进口芯片。数据显示，从2006年开始，中国集成电路产业产品的进口超过石油成为中国最大宗进口产品。2013年—2016年，中国每年芯片进口额超过2000亿美元。其中，2016年进口金额为2270.26亿美元，是同期原油进口金额的两倍。
正是因为中国芯片技术长期受制于国外，战略局面十分被动，国家才大力推动实现“中国芯”替代“进口芯”。
“芯强”方能体壮
芯片强则产业强，芯片兴则经济兴，没有芯片就没有安全。意识到“芯痛”容易，真正解决问题却需要周密的顶层设计和实际行动。
《中国制造2025》指出，着力提升集成电路设计水平，不断丰富知识产权（IP）核和设计工具，突破关系国家信息与网络安全及电子整机产业发展的核心通用芯片，提升国产芯片的应用适配能力。
同时，国家将“核高基（核心电子器件、高端通用芯片和基础软件）”和“极大规模集成电路制造装备与成套工艺”列为国家重大科技专项，带动各家科研机构和企业集中攻克难题。此外，国家还推出集成电路产业投资基金，目前已经出资600多亿元，各地也纷纷出台配套政策，发展独立自主的“中国芯”。
根据《国家集成电路产业发展推进纲要》，到2020年，集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小，全行业销售收入年均增速超过20%，企业可持续发展能力大幅增强。移动智能终端、网络通信、云计算、物联网、大数据等重点领域集成电路设计技术达到国际领先水平，产业生态体系初步形成。
有了国家政策和资金的大力支持，中国企业也纷纷“撸起袖子加油干”，“中国芯”纷纷实现重大突破。比如，上海“微松”的晶圆植球工艺设备、宁波江丰电子的高纯溅射靶材等，都打破了国外垄断技术，迎来较快增长。
如今，中国正力争尽早摆脱缺“芯”之痛。据统计，中国集成电路市场规模已成为全球第一，2016年达到2000亿美元左右。目前，中国集成电路产业销售额占全球市场规模的比例由2010年的8.6%提升至2015年的21.1%。根据政策规划及市场预期，到2020年，中国芯片市场规模将比2016年翻一番。
“芯结”还须再解
基于巨大的市场规模，当前全球芯片产业正加速向中国集中，国内也出现新一轮的研发、生产浪潮，国产芯片技术在自主研发和出海的双支撑下，已成长为新的市场风口。
然而，应该看到，虽然中国的“芯结”正在逐渐解开，但相对于欧美发达国家来说，还有不少差距，可谓“芯有千千结”，每结都待解。比如有统计显示，在第50届全球超级计算机500强榜单中，有471台超算使用英特尔芯片，美国供应商仍在芯片使用上占据绝对优势。再如，在存储芯片领域，中国仍基本依赖进口。而在处理器（CPU）领域，除了华为以外，国产手机很少使用国产芯片。
据了解，为破解芯片研发制造难题，面向2020年，“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项将围绕传统产业升级和战略性新兴产业发展的需求组织攻关，推动创新成果的规模化应用，支持中国企业在全球产业链中建立起核心竞争力，实现产业自主发展，形成特色优势。如今，专项已经在14纳米装备、工艺、封装、材料等方面进行了系统部署，预计最先部署项目到2018年将全面进入产业化。“十三五”期间还将重点支持7-5纳米工艺，以及三维存储器等大宗战略性产品和国际先进技术的研发。
中国科学院微电子研究所所长叶甜春表示，中国将继续加快实施已部署的国家科技重大专项，重点攻克高端通用芯片、高档数控机床、集成电路装备等方面的关键核心技术，形成若干战略性技术和战略性产品、培育新兴产业。
业界普遍认为，在芯片设计领域，如果中国能够保持现有20%的发展速度，未来将成为美国芯片巨头最大的挑战者。
[科学网-人民日报海外版]
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新型量子计算机首个基本元件问世 单量子比特里德伯门扩展性更强、运算速度更快
科技日报北京12月19日电 （记者刘霞）据物理学家组织网近日报道，瑞典和奥地利物理学家携手，研制出了单量子比特里德伯（Rydberg）门，这是新型量子计算机——囚禁里德伯离子量子计算机的首个基本元件。最新研究证明了建造这种量子计算机的可行性，其有潜力克服目前的量子计算方法面临的扩展问题。
目前，量子计算机面临的最大问题之一是，如何增加每个逻辑门中发生纠缠的量子比特的数量，这对于开发出实用的量子计算设备至关重要。升级之所以困难，部分原因在于囚禁离子的系统内常用的多量子比特逻辑门，会随着量子比特数量的增加而遭遇“频谱拥挤”问题。然而，囚禁里德伯离子的系统不受频谱拥挤问题的影响，这就表明，以囚禁的里德伯离子作为量子比特而研制的量子计算机，或许能成为升级能力更强的量子计算机。
研究人员在最新一期《物理评论快报》上发表论文称，他们建造出了首个单量子比特里德伯门。为了做到这一点，需要造出单个离子的里德伯相干激发。他们首先以囚禁于陷阱中的一个锶离子开始，接着使用激光将离子从低量子态激发到第一激发态，再将其激发到更高能的里德伯态。
实验的关键之处在于，里德伯态采用相干方式获得，这对于建造多量子比特里德伯门至关重要。研究人员将相干的里德伯激发与量子操控方法相结合，展示了单量子比特里德伯门。他们估计，可将这一单量子比特系统扩展到两个量子比特的系统，未来还可以添加更多量子比特。
除了潜在的升级优势，基于囚禁的里德伯离子而研制的量子计算机还拥有其他优势，包括能更好地控制量子比特、门运算速度更快等，他们将进一步研究这些可能性。
研究负责人杰拉德·希金斯表示：“接下来，我们将测量两个里德伯离子之间强烈的相互作用，并让其发生纠缠，囚禁的里德伯离子有潜力生成非常大的纠缠态。”
[科学网-科技日报]
半导体量子计算芯片研究取得新进展 实现三量子点半导体比特高效调控
近期，中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在半导体量子计算芯片研究方面取得新进展。实验室郭国平研究组创新性地引入第三个量子点作为控制参数，在保证新型杂化量子比特相干性的前提下，极大地增强了杂化量子比特的可控性。国际应用物理学顶级期刊《应用物理评论》日前发表了该成果。
开发与现代半导体工艺兼容的电控量子芯片是量子计算机研制的重要方向之一。由于固态系统环境复杂,存在着电荷噪声、核磁场等各种退相干机制,不同形式的编码方式都有一定局限,比特的超快操控与长相干往往不可兼得。郭国平研究组2016年首次在砷化镓半导体双量子点芯片中实现了量子相干特性好、操控速度快、可控性强的电控新型编码量子比特,将传统电荷量子比特的品质因子提高了10倍以上。
近期,为了提高杂化量子比特能级可控性,研究人员将非对称思想进一步运用到三量子点系统,将原有的双量子点结构扩展成线性耦合三量子点系统。他们通过理论计算分析发现,当中间量子点与其两侧量子点耦合强度非对称时,电子在双量子点中演化的能级结构可以被第三个量子点高效地“间接”调控。在实验中,他们首先通过半导体纳米加工工艺精确制备出非对称耦合三量子点结构,再利用电子的原子壳层结构填充原理,巧妙地化解多电子能级结构复杂性这一难题,构造了具有准平行能级的杂化量子比特。在保证比特相干时间的情况下,通过调节第三个量子点的电极电压,清晰地观察到比特能级在2至15GHz范围内连续可调。
高效调控量子点系统能级是半导体量子计算领域的一个难点问题,该工作不仅为杂化量子比特的可控性问题提供了一个可能的解决方案,也为半导体量子计算提供了一种新调控思路。（来源：新华社 徐海涛）
[科学网]
量子计算：一场接近“突破点”的竞逐
新华社北京１月２２日电 特稿：量子计算，一场接近“突破点”的竞逐
新华社记者杨骏 黄堃
５量子比特、１０量子比特、５０量子比特，一场你追我赶、争相领先的激烈竞逐近年来正在量子计算领域上演。
传统计算机要１００年才能破解的难题，量子计算机可能仅需１秒，如此“洪荒之力”、酷炫前景各国岂能袖手旁观？
去年底，美国ＩＢＭ公司宣布推出全球首款５０量子比特的量子计算原型机，量子计算领域的竞争进入关键阶段。
聪者听于无声，明者见于未形
当魔幻般的理论在现实中推动进步，各国的科研实力体现无疑。
在ＩＢＭ公司宣布成果的半年前，中国科学家已发布世界首台超越早期传统计算机的光量子计算机，实现１０个超导量子比特纠缠，在操纵质量上也是全球领先。
从个位数到几十量子比特的进展，各国你追我赶，这到底是为什么？
从１９７０年到２００５年，正如摩尔定律预测的一样，每１８个月集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的性能也相应提升近一倍。但２００５年后这种趋势就开始放缓，极其微小的集成电路面临散热等问题考验。
如果按这个趋势继续发展，当集成电路的尺寸接近原子级别的时候，电子的运动也不再遵守经典物理学规律，这个时候量子力学将起到主导作用。
上世纪８０年代，科学家就已预言问题所在，并提出量子计算才是方向。这也不约而同成为各主要国家关注的焦点。
传统计算机的基本数据单位是比特，而量子计算机以量子比特衡量。有观点认为，如果量子计算机能有效操纵５０个左右量子比特，能力即超过传统计算机，实现了相对传统计算机的“霸权”。这种“量子霸权”正是各科研机构竞相追逐的目标。
近来，科技巨头纷纷宣布重要进展。除ＩＢＭ的５０量子比特计算机原型，英特尔也在１月份宣布研制４９量子比特的测试芯片。但这些企业没有发布详细性能报告，用词离不了“原型”和“测试”，更没有宣称已经实现“量子霸权”。
这是因为量子比特光有“数量”不够，还得有“质量”，即通过纠缠等方式操纵量子比特互相关联，才能有效利用它们进行量子计算。中国科学技术大学潘建伟团队去年５月实现的１０个超导量子比特纠缠，就是有“质量”的量子比特，但离“量子霸权”还有相当距离。
“很显然，建造量子计算机现在是一个世界范围内的竞赛。”美国得克萨斯大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森说。他认为，未来一年左右将可能有人赢得“量子霸权”竞赛。
长风破浪会有时，直挂云帆济沧海
人类已进入一个能看到量子计算机将要“出生”的时间段。中国科学院院士、量子计算专家、图灵奖获得者姚期智说，这是“最后一公里”，但也是一个非常艰难的过程。
业内专家指出，量子计算需要克服环境噪声、比特错误和实现可容错的普适量子纠错等一系列难题，真正量子计算机研发挑战巨大。
那么量子计算到底魅力何在，让全球都不愿错失良机？
起源于１９００年普朗克所提理论的量子力学，描述了看似魔法的物理现象。在微观尺度上，一个量子比特可以同时处于多个状态，而不像传统计算机中的比特只能处于０和１中的一种状态。
这样的一些特性，让量子计算机的计算能力能远超传统计算机。美国谷歌公司等机构在２０１５年宣布，它们的“Ｄ波”（Ｄ－Ｗａｖｅ）量子模拟机对某些问题的求解速度已达到传统计算机的１亿倍。虽然它并不被认为是真正的量子计算机，但量子计算的巨大潜力已经显露。
为加速进入量子计算机阵营，各国政府纷纷加大投入。欧盟在２０１６年宣布投入１０亿欧元支持量子计算研究，美国仅政府的投资即达每年３．５亿美元。中国也在大力投入，目前正在筹建量子信息国家实验室，一期总投资约７０亿元。
如果“量子霸权”实现，人类计算能力将迎来飞跃，接下来就会是在多个领域的推广。一些行业巨头已经盯上了量子计算未来应用：阿里巴巴建立了量子计算实验室；中科院与阿里云合作发布量子计算云平台；ＩＢＭ也在去年宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台ＩＢＭ Ｑ，还与摩根大通等公司合作计划在２０２１年前推出首个在金融领域的量子计算应用。
更不用说在军事、安全等敏感领域，量子计算一旦成熟，就可以攻破需要大量计算的传统难题，比如密码破解等。
“我相信量子技术在２１世纪的重要性可与上个世纪的曼哈顿计划相比。”著名量子科学家潘建伟院士说。也就是说，量子技术可能像曼哈顿计划造出原子弹那样改变世界格局。
潘建伟等中国科研人员正在不断取得成果，在光与冷原子系统、超导系统等多种量子计算技术路线上同时发展，希望在未来１０年，实现上百量子比特的纠缠。
潘建伟曾用“笋”来比喻中国量子计算领域的发展。因为笋尖刚长出来时进展较为缓慢，一旦长起来便越来越快。他说中国的量子计算就如“春笋”，“我们的爆发式增长也已到了‘相变点’”。
[科学网]
量子计算机团队：前沿研究赶上了好时代
2017年12月31日晚，国家主席习近平向全国人民致以节日问候。习总书记的“2018年新年贺词”随后在各大媒体平台传播。鼓舞、感动，网友在转发习总书记的新年贺词时无不为祖国2017年的成绩点赞。
中国科学技术大学教授朱晓波更是感同身受。因为在习总书记的“2018年新年贺词”中，特别提到了“量子计算机研制成功”这一成果。这是包含潘建伟、陆朝阳、朱晓波等人在内的中国量子计算机科研团队共同努力的成果。
中国的量子名牌
“听到习主席在新年贺词中提到了我们的工作，我们很激动也备受鼓舞。”朱晓波告诉《中国科学报》记者。近年来，随着国家对科技创新越来越重视，科研人员也更有条件做出最前沿的科学成果，有信心和能力与国际竞争。
走向国际，中国科学家如今越来越有信心参与国际科学竞争，并发出属于中国科学家的声音。
记者在电话联系中国科学技术大学教授、量子计算机团队成员陆朝阳时，他正和量子计算机团队的领头人、中科院院士潘建伟在机场，准备踏上飞往美国的飞机。
1月7日至12日，第48届国际量子电子学物理会议在美国盐湖城召开。在这次会议期间，潘建伟被授予兰姆奖（ Willis E. Lamb Award for Laser Science and Quantum Optics ），并作题为“基于光与冷原子的可扩展量子信息处理”的报告。
时间回溯到2017年5月3日，潘建伟代表团队在上海发布了一则重磅消息：世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。这项成果是由他及同事陆朝阳、朱晓波等人，联合浙江大学王浩华教授研究组协同攻关而成。
自那一刻起，中国的量子计算研究走在了世界的前列。令习总书记在新年贺词中“为中国人民迸发出来的创造伟力喝彩”的量子计算机，与不断突破的量子通信技术一道为中国科学研究向世界亮出了一张“量子”名牌。
打通科研到应用路径
成果卓著，为世界所瞩目。在光量子计算方面，研究团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，并通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机，这是世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。实验测试表明，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少24000倍。
此外，在超导体系方面，研究团队自主研发了10比特超导量子线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。
据朱晓波介绍，目前，研究团队正在进行20个光量子比特和20个超导量子比特的操纵实验，“相对于10比特超导量子来说，20比特在操纵、量比设计和制备等各个方面的难度都有所增加，虽然每一步走得都很困难，但我们一直在前进，期待能有个好结果”。
与此同时，为了使得量子计算尽快得到应用，研究团队正将10比特的超导量子处理器放在“云端”。“我们将10个超导量子比特的量子处理器接入云端，希望大家都参与，试图打通科研到应用。”朱晓波介绍道。
作为10个超导量子比特纠缠的主要实现者之一，朱晓波表示，每个人都可以在云端处理器中提交自己的需求。“我们希望通过这个方式，首先让大家对量子计算机感兴趣，验证一些基础量子算法的有效性。”
同时，他们也希望能以此来测量处理器的性能和稳定性。“此前的研究毕竟是在实验室的条件下，该量子处理器就是为了验证其将来是否能良好运行、具备高性能，真正进行公共服务。”朱晓波说。
不为了进步而进步
2017年，量子计算能力的竞争引起了很多人的关注。谷歌在当年4月份宣布将推出49量子位处理器；IBM在11月宣布成功研制20量子位的处理器，还构建了50量子位处理器原型……
许多人在激烈的量子计算竞争中感慨，量子计算的时代或许不远了。不过，中国量子计算研究团队并不单纯以量子比特数目作为竞争目的，“我们更要提高超导量子比特的质量，让量子计算机将来真正能解决实用而有价值的问题。”朱晓波说。
量子计算机实现后，将会有很多领域的应用，例如实现精准的天气预报、躲避飓风海啸，实现高效全局的最优搜索，识别有效的分子组合、降低药物的研发成本和周期，以及更加简便和迅速地指挥交通、理解图像等。
朱晓波告诉记者，未来量子计算机研制将分为三步走。
首先，在某个经典计算机难以解决的特定问题上，实现量子计算机的运行速度比任何一台经典计算机都快；其次，量子计算机解决能够初步应用于一些目前无法解决的重大科技难题，解决更加“有用”的问题，使其具有商业价值，从而大规模推广；最后，研制通用量子计算原型机，突破大规模量子计算机的芯片工艺，从物理层设计、制造，到算法运行实现自主研发，全面实现通用量子计算功能，并应用于大数据处理等重大实际问题。
量子计算机的发展规划稳扎稳打，前景无限光明，但量子计算机团队科研人员更愿意强调的却是，“觉得赶上了好时代，国力强大，国家高度重视科研，才能有机会去做最前沿的工作”。
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