量子处理器为何迟迟不能量产,其原因是技术虽然成熟但是有待提高
栏目:公司新闻 发布时间:2020-06-07 17:51

现在很多人都很关心量子计算机,自然也十分关注量子处理器。前一篇文章我粗略介绍了D-Wave 2000 Q量子处理器的颠覆设计,网友们对此关注度非常高。

那么本期我接着上期内容,参照D-Wave公司发表D-Wave量子系统的量子编程白皮书,简单介绍Wave 2000 Q量子处理器生产和封装。

了解D-Wave量子系统设计都知道,量子处理器是由超导材料制造的集成电路。其实量子处理器的宏观设计思路和传统处理器的设计很相似,那么,它的生产和封装自然也不例外。虽然现在D-Wave公司量处理器制造技术已经基本成熟,但是有待提高,还没能够大规模生产量子处理器。

图4展示了量子处理器单元QPU的真实放大画像,这是超导电子铸造厂生产出来的QPU晶片。可以看出,量子处理器单元QPU好像邮票一样被“压印”在硅晶片上。这种“压印”技术并不是什么凭空产生的新技术,而是由生产制造半导体集成电路的工艺上改进而来的。

在图4的硅晶片放大图中,可以清晰地看到几个量子处理器单元QPU。图中区域最大、最靠近底部中心的地方就有128个量子位连接在一起,而它们之间总共连接的电气元件多达352个。

图中清晰可见的交叉阴影线是每个量子处理器单元QPU上的量子比特位/耦合器电路。这个就是被称之为Rainier QPU的量子处理器单元,D-Wave One量子计算机内部量子处理器单元就是这种QPU类型。当然,最新的D-Wave 2000 Q量子处理器依然采用同样的设计。

在生产制造大规模集成电路的时候,充分利用半导体的基础技术是很重要。从几十年半导体集成电路的发展经验来看,充分利用半导体集成电路的优势足以使QPU的生产制造商业化。

借鉴半导体工业中的基础技术,足以让D-Wave像高度集成电路那样容易大规模生产制造。图5所示是量子处理器单元QPU的横截面,该横截面是超导电子铸造厂生产D-Wave的量子处理器时候所拍摄的显微镜横截面照片。图中中间层底部,集成有约瑟夫森结。

目前已经成熟开发的量子处理器制造工艺能够生产LSI(Large-Scale Integration 大规模集成化)超导电路。D-Wave 2000Q系统中2000个量子比特位使用的技术是128,000+约瑟夫森结,而该项技术就是前面所说的量子处理器的大规模集成超导电路。这是目前唯一能够生产如此复杂超导处理器的超导制造技术。

要想提高量子处理器的性能,必须提高该制造技术的产能。因为产量越大,量子比特位就越多,量子处理器的性能就越强大,不过这需要长期且大资金的投入。

为了让量子比特位能够像经典处理器晶体管那样翻倍递增(摩尔定律),必须在未来的五年时间内,提高超大规模集成电路中的超导电路集成度(每个量子处理器约瑟夫森结的数量超过一百万)。

和传统计算机晶片一样,从晶圆厂完成生产和切割之后,自然需要封装才可以使用。不过量子处理器封装有点不一样,量子处理器所谓的封装,就是量QPU量子处理器单元连好线路,方便放入量子计算系统运行。

为了构建量子计算机,从晶圆片中选取其中一个QPU,并将其置于QPU封装系统的中心,如图6所示。QPU是已经与量子计算机内部其他元器件相互连接好信号线,图6是一张QPU的没有封装好的照片,可以清楚地看到印刷电路板周围的信号线。

与QPU上的可编程元件相比,输入线路的数量要少得多。QPU可以通过附加电路实现 - 以多路分解器、信号路由和寻址的形式 - 所有这些都在芯片上的超导逻辑电路中实现。

量子处理器虽然是个颠覆性的设计,但是在生产技术依然是是由传统半导体集成电路的工艺上改进而来。这样很好,能够充分利用以前集成电路大规模量产的技术和经验,使得量子处理器的生产技术很快成熟。

不过,量子处理器的高度集成电路不是半导体材料,而是超导材料。这就使得量子处理器短时间实现量产并非易事。实际上,目前超导量子处理器的常量只能满足D-Wave公司以及它的客户的量子计算机的基本需求。总之,还是那句话,制造技术虽已成熟,但是有待提高,还没能达到量产的阶段。

对于量子处理器的介绍已经到了中期,本期又是很多专业术语,基本都是量子超导领域的。由于知识水平有限,很多新词都是英文原词,中文翻译不是很好,请见谅。下期我会简单介绍如何利用量子处理器搭建D-Wave量子系统,设计到磁屏蔽和内部布线、冷却等。