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《IBM发布量子计算路线图:2023年打造有1000个量子比特的机器》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-09-18

  • IBM 今天首次公布了其量子计算硬件的未来路线图。这里有很多需要消化的东西，但短期内最重要的消息是，该公司认为，它正朝着在2023年底之前打造出超过1000个量子比特以及10到50个逻辑量子比特之间的量子处理器的方向发展。 目前，该公司的量子处理器最高为65个 qubits。计划在明年推出一款127位的处理器，并在2022年推出一款433位的机器。为了达到这个目标，IBM 还在建造一个全新的冷却装置以容纳这些更大的芯片，以及连接多个这些单元的技术，去构建一个类似于今天经典芯片中的多核架构的系统。 这是由于随着这些芯片越来越复杂，它们的体积也越来越大。这意味着，即使是 IBM 现在正在建造的10英尺冷却箱，也无法容纳超过也许100万个量子。到那时必须在这些腔室之间建立互联。 IBM 将这一计划比作半导体产业的诞生。

    为了达到量子产业的终极目标，也就是打造大规模、容错的量子计算机，公司可以走两条不同的道路。第一种会更像阿波罗计划，大家聚在一起，对一个问题研究了十年，然后所有不同的部分聚集在一起，争取这一个突破性的时刻。随着时间的推移，一个由第三方厂商组成的生态系统将会兴起。这个行业已经到了复杂程度大大增加的地步，各个参与者已经不能什么都自己做了。反过来，这意味着生态系统中的各个玩家现在可以专注于专业化，并找出他们最擅长的领域。 IBM 认为，2023年将是行业的一个拐点，通往1121qubit 机器的道路将推动整个堆栈的改进。IBM 正在努力执行的这些性能改进中，最重要的也是最雄心勃勃的是将错误率从今天的1% 左右降到接近0.0001%，看上去雄心勃勃，但从这几年前 IBM 量子计算的发展所处的轨迹来看，这是发展曲线所指向的合理数字。

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    • 2023年3月1日，美国半导体研究联盟（Semiconductor Research Corporation, SRC）在美国商务部国家标准与技术研究院（NIST）资助下编制并发布《微电子和先进封装技术路线图》（以下简称“MAPT路线图”）临时报告，从生态系统、系统架构和应用、系统集成和基础微电子四个层面，规划并梳理关键核心技术和培育专业人才队伍所需的步骤，以确保未来美国在设计、开发和制造异质集成系统级封装（SiP）方面的创新能力。MAPT路线图以2021年版《半导体十年计划》和《异构集成路线图》为基础进行构建，提出了一个新的全面的3D半导体路线图，以指导即将到来的微电子革命。 MAPT路线图仍在开发，临时报告旨在广泛征集公众意见以实现高质量的最终路线图。MAPT路线图共包含12章。第一章为MAPT路线图报告概况，其余11章具体包括： 1. 可持续发展与能源效率。根据《半导体十年计划》，现阶段计算解决方案不可持续，随着计算需求的增加，计算的能源需求将超过市场上可用的能源。如果未来十年能源效率没有实现1000倍的提高，2040年后没有实现1000000倍的提高，计算将处于能源受限状态，不会增长、驱动新市场或刺激全球GDP增长。此外，由于全球半导体需求日益增长，以及美国《芯片法案》目标，预计未来几年美国的芯片制造将会增加。同时，从环境和人类健康的角度来看，芯片制造和先进封装所涉及的化学品、材料和工艺以及产品设计本身都必须尽可能可持续。可持续发展与能源效率的跨领域需求包括：（1）提高计算中的能源效率；（2）在半导体器件和系统的全生命周期中（如：设计、开发、制造、使用、产品使用寿命期后废弃管理）提高环境可持续性和效率；（3）随着社会需求的变化，可持续解决方案和系统创新所需的劳动力的发展。 2. 材料、衬底、供应链。本章聚焦微电子封装供应链生态的输入端，材料的来源、环境因素、成本等都会影响封装供应链的韧性和可持续性。MAPT路线图旨在确定未来几代先进电子封装结构中将使用的材料和化学品，重点考虑因素包括：高可靠性材料、新工艺材料、电气性能材料、机械性能/工艺可操作性材料、热管理材料、可靠性/温度/湿度性能优越材料和环境可持续材料。 3. 设计、建模、测试和标准。本章涉及未来的设计自动化组合和行业标准开发。这些设计工具和标准将有效帮助芯片和系统设计者探索和优化不同设计领域以及性能、功率/能源、面积/体积、保密性和安全性等指标，并将成为半导体行业的关键推动者。 4. 制造和工艺开发计量学。本章涵盖了半导体材料和器件研究、开发和制造等各个方面的测量。“表征和计量”可离线、在线和线上使用，包括物理和电气测量的所有方面。“表征和计量”涵盖了从原子尺度到宏观尺度的测量。对新材料和新结构的探索是表征密集型的，而且随着工艺技术的日益成熟，晶圆厂内计量（in-fab metrology）的使用也在增加。本章描述了MAPT路线图所有领域的表征和计量，从材料和器件到先进封装和异构集成以及系统。 5. 安全和隐私。本章确定了新出现的安全和隐私挑战，并概述了解决这些挑战的方法。本章对整个技术堆栈进行了全面分析，但重点强调了对制造和封装技术的影响。本章是对2019年IEEE发布的《异构集成路线图》（Heterogeneous Integration Roadmap）安全章节的补充。本章的主要主题包括：（1）异构集成中潜在的硬件安全漏洞；（2）确定SiP安全内容的可行策略，以及定义合理指标以评估安全弹性实施的可行策略；（3）针对特定应用的攻击预测和防御机制。 6. 劳动力发展。本章概述了未来十年MAPT领域劳动力的需求。美国上下一致认为，目前的人才库以及创建和支持美国国内MAPT劳动力的途径都远远达不到预期需求，并已成为关系美国经济和国家安全的关键点。目前，从技术认证师、专科学位操作员、维护工程师到硕士和博士工程师，MAPT领域不同教育水平的工人在数量、知识、技能和能力方面都不足以满足未来的需求。本章内容主要包括：（1）微电子劳动力需求的预测/时间表；（2）全国“赢得人心”运动的路线图；（3）整个MAPT生态系统的整体、有效的劳动力发展框架。 7. 应用驱动因素和系统要求。本章描述了各种应用领域的影响及其对MAPT路线图所涵盖的关键使能技术方向的影响，并具体讨论了数据中心和高性能计算、移动通信和基础设施、边缘计算和物联网、汽车、生物应用和健康、安全和隐私、以及防御和恶劣环境等应用实例。每一个应用领域都将以不同方式发展，并需要领域特定的系统来实现更高水平性能。 8. 先进封装与异构集成。本章重点介绍了微电子芯片的先进封装和异构集成的各个方面。由于使用更精细的晶体管（低于20nm）微缩芯片的成本优势正在减弱，因此有必要采用一种新方法，即将单个晶粒分解为更小的芯粒（chiplet）并在适当的技术制程上进行经济有效地制造。为了通过芯粒和无源元件的异构集成实现功能“缩放”，封装必须从“芯片载体”过渡到“集成平台”。随着微电子行业朝着为每个应用定制更高性能、更低功耗的解决方案发展，芯粒数量将继续增加。下一代封装技术需要支持这种异构集成的爆炸式增长，实现可以容纳极细间距I/O芯片和极细间距电路系统的互连。 9. 数字处理。本章重点介绍了已经渗透到现代社会各个方面的数字处理技术和基础设施。如今，产率问题、散热设计功耗（TDP）的实际限制、先进技术制程的高设计和制造成本对实现终端用户期望构成威胁。与此同时，人工智能/机器学习相关应用、高级认知需求、区块链等方面都要求处理不断增加的数据集，并执行越来越复杂的计算。单芯片封装解决方案不再适配数据密集型或高性能处理需求。此外，数据处理成本现在主要由将数据移动的能耗决定，包括在处理数据的微芯片内移动数据的能耗。将不同的未封装芯粒进行单片异构集成从而形成SiP，已成为解决这些挑战的重要方案。 10. 模拟和混合信号处理。模拟和混合信号处理驱动着模拟硬件的新兴应用和趋势，本章概述了该领域的短期、中期和长期前景。模拟元件对于世界-机器接口、传感、感知、通信和推理系统，以及所有类型的电气系统的电力分配、输送和管理至关重要。模拟信号处理或“模拟边缘”处理有助于减少必要的数字处理数量。本章的主要主题包括：（1）模拟和混合信号电路及处理；（2）电力转换和管理；（3）智能传感接口；（4）射频（RF）到太赫兹（THz）的器件、电路和系统（RF-to-THz devices, circuits and systems）。 11. 光子学和微机电系统。本章阐述了存储器、计算、传感、通信等所必需的重要配套技术。本章是对2021年荷兰PhotonDelta联盟和麻省理工学院微光子学研究中心发布的《国际集成光子学系统路线图》（Integrated Photonics System Roadmap – International, IPSR-I）的补充。本章的主要主题包括：（1）基于微机电系统和光子学的传感器和执行器；（2）用于通信的集成光子学；（3）用于存储器和计算的光子I/O；（4）材料和加工；（5）设计和建模支持。
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  • 《量子互联网六阶段发展路线图出炉》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-11-07
    • 利用量子物理学独特效应的量子互联网将与我们今天使用的经典互联网大相径庭，全世界有很多研究小组正致力于构建先进的量子互联网。 荷兰代尔夫特理工大学的量子研究团队近日在英国《自然》杂志上发布了一份报告，也可以说是一张路线图，阐述了量子互联网发展的各个阶段及其应用领域。 他们认为，量子互联网尽管还只是“小荷才露尖尖角”，但在成熟之前，其就有望在多个领域“大显身手”。第一阶段的量子互联网有望使通信获得几乎牢不可破的隐私和安全；而更成熟一点的量子互联网可实现一系列让传统网络系统“望洋兴叹”的科学应用，包括探测引力波等。 量子力学“如此美丽” 代尔夫特理工大学理论物理学家斯蒂芬妮·韦纳和同事大卫·埃尔库斯、罗纳德·汉森共同撰写了这份报告。他们认为，量子互联网可与现有互联网互补而非让其“下岗”，最终，它可供大学实验室等大型用户和个人消费者广泛使用。 当然，目前也有很多科学家在狂热地研发另一项技术——量子计算机，据信其计算速度和计算能力将远超传统计算机。 量子网络和量子计算共享许多概念和技术，两者都利用了经典物理学领域没有的现象。例如，电子或光子这样的等量子粒子可处于两种明确定义的旋转状态——顺时针或逆时针之一，也可同时处于这两种状态，这被称为“叠加”。此外，两个粒子可发生“纠缠”：即使两个粒子相距很远，其中一个粒子状态的改变也会影响另外一个粒子的状态。量子比特是量子信息的最小单位。 德国斯图加特大学的量子物理学家斯蒂芬妮·巴兹表示，广泛采用的量子互联网还是有用的量子计算机，很难预测哪种技术会捷足先登。但量子网络有一个很大的优势，“这样的网络可以逐步建立，并且可在每一步中添加不同的功能”。 研究人员称，该路线图还旨在为来自计算机科学、工程学和物理学等不同领域的研究人员创建一种共同语言。汉森说：“不同的人谈论量子网络可能意味着截然不同的事情。” 六个阶段路线图 在最新报告中，代尔夫特团队为量子互联网的发展制订了六个阶段。 最初阶段被称为“0阶段”。在这一阶段的网络中，用户能建立一个通用的加密密钥，以便安全地共享数据。量子物理学仅在幕后工作：服务提供商使用它来创建密钥。但提供商因此就知道了密钥，这意味着用户必须信任服务商。这种类型的网络已经存在。例如在中国，绵延2000多公里的这种网络连接了包括北京和上海在内的大城市。 在第一阶段，用户正式进入量子游戏，其中发送者创建量子状态（通常是光子）。这些量子状态或沿着光纤，或通过在开放空间中发射的激光脉冲被发送到接收器。在此阶段，任何两个用户都可以创建只有他们自己知道的私有加密密钥。该技术还使用户能将量子密码提交给诸如ATM之类的机器，如此一来，机器将能够在不知道密码是什么的情况下对密码进行验证，也无法窃取密码。 韦纳说，这一阶段尚未进行大规模试验，但在小城市规模上已具备了技术可行性，速度可能会非常缓慢。2017年，由中国科技大学潘建伟教授领导的小组创造了这种传输的世界纪录：当时他们用一颗卫星让两个相距1200多公里的实验室实现了量子连接。 在第二阶段，量子互联网将利用强大的纠缠现象。它的第一个目标是使量子加密基本上无法破解。这个阶段所需的大多数技术已经存在，至少可以实现基本的实验室演示。 在第三到第五阶段，量子互联网将首次使任何两个用户能存储和交换量子比特。 进入最后阶段，还需要几个突破。汉森的团队目前正致力于攻克这些难题。他们也致力于构建第一款“量子中继器”，以帮助量子比特在长距离和大范围内发生纠缠。 仍需假以时日 研究人员称，使用最高阶段量子互联网的首批“吃螃蟹者”可能是科学家本身。实验室将与第一台先进的量子计算机远程相连，或将这些量子计算机连接起来作为一台计算机。然后，他们可以使用这些系统进行经典计算机无法实现的实验，比如，模拟分子或材料的量子物理学。此外，量子时钟网络可以极大地提高引力波等现象的测量精度；遥远的光学望远镜可以将其上的量子比特连接在一起，让图像更加清晰。 这种网络当然也能在科学之外的领域“大展拳脚”。例如，在选举中，第五阶段的量子互联网让选民不仅可以选择一个候选人，还可选择候选人的“叠加”。哈佛—史密森尼天体物理中心物理学家尼科尔·云格尔·哈尔彭说，“量子选民”可以使用“传统选民无法实施的战略投票方案”。而且，量子技术可能有助于大型团体协调并达成共识，例如，验证比特币等电子货币。 耶鲁大学理论物理学家江梁（音译）表示，这份路线图对更广泛的量子群体有用，但它主要侧重于代尔夫特团队已经采用的技术；而江梁团队去年发表的研究表明，中小规模的量子网络可以基于微波而非激光脉冲。 这些应用程序是否真正有用？量子互联网是否有足够的实践使其可广泛使用？研究人员的意见并不一致。但有些人持乐观态度。韦纳说：“我毫不怀疑它会在某个时刻出现，但这仍需假以时日。”
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