量子计算机：新一轮的科技制高点，我国“悟空”量子计算机将下线
量子计算机被誉为新一轮的科技制高点，因强大的超算能力将在金融、化工、生物、人工智能等众多领域发挥重要作用，也是各国争相研发的对象。
“悟空”是我国即将下线的量子计算机，由“本源量子”公司制造。众所周知我国在量子计算机的研发方面一直走在国际的前列，然而最新数据表明，我们的“悟空”竟然和世界最先进水平有着3-4年的差距，那真实的现状到底是什么情况呢？
“悟空”在生产过程中到底遇到了那些困难？又是如何闯关的呢？
一、量子计算机制造需要闯三关
关注量子计算机的朋友都知道，在量子计算研究领域，我国始终保持第一梯队，我们不仅完成了量子计算体系中所有重要研究的布局，而且取得了实质性的进展：
1、“光学体系”方面：“九章二号”，113个光子，实现了相位可编程功能，“处理高斯玻色取样问题”的速度比最快的超级计算机快100亿倍。
2、“电学体系”方面：“祖冲之二号”，66个比特，能够做到“量子随机线路取样”的快速求解，比最快的超级计算机快10万倍，计算复杂度比谷歌“悬铃木”高6个数量级。
但是我们即将完成的“悟空”量子计算机，却比世界上最先进的量子计算机落后3—4年，这不禁让很多人感到迷惑了？
这是因为，量子计算机从“实验室研发”到“变成产品”交付用户，需要闯三关：
1.?“研发关”
2.?“制造关”
3.?“调试检测关”
只有这三关都走在世界前列，才能做到世界第一。
上面所说的“九章二号”、“祖冲之二号”虽然先进，但都是实验室产品，属于“研发关”，距离真正上生产线制造，还有很大差距。
我们在“研发关”虽然走在了世界前列，但是“悟空”在“制造关”落后了。
二、“悟空”为什么在“制造关”落后了？
大家都把“控制量子比特”个数的多少，当做量子计算机“是否高级”的标准，“量子比特”数量控制的越多，计算机就越高级。
实现“量子计算”有很多种方法：光学体系、电学体系、离子阱、冷原子等。“悟空”属于电学体系（通用说法“超导线路体系”），是以“祖冲之二号”为原型，仿造出来的。
从科研成果可以看出：我国的“电学体系”不是最先进的，“光学体系”比“电学体系”多了47个比特（九章113，祖冲之66），明显更先进，为什么不仿造较先进的“九章二”，却仿造相对落后的“祖冲之二”呢？
因为“祖冲之二号”的制造方法，和我们家里计算机的制造方法非常“接近”，各种线路连接着主板、CPU，芯片生产就更像了，都有“光刻刻蚀镀膜检测封测”流程。
我们在制造“传统计算机”方面积累了很多的工艺、技术、设备和人才经验，都可以直接借鉴制造“量子计算机”，这样更快速、更可靠，也更容易实现和成功。
但是在传统计算机制造方面，我们整体水平低于西方，尤其芯片制造，到现在卡着脖子呢，从工艺流程到设备加工，整个生产线的精准度、效率、合格率都比国外低。所以借鉴“传统计算机”生产经验制造出来的“悟空”，也比国外落后3—4年。
大家现在明白了吧，虽然我们在光学体系研发比较有优势，但是在制造方面没有经验可循，为了确保量子计算机制造成功，所以选择了有经验可循的“超导线路”，而我国的“超导线路”整体制造水平比国外低，所以量子计算机“悟空”的制造水平也比国外晚了三、四年。
三、“悟空”如何闯“制造关”
虽然“量子计算机”制造可以借鉴“普通计算机”的制造经验，但是不能照搬“普通计算机”的生产线，更不能直接使用“普通计算机”的生产机器。
“量子计算机”不仅芯片比“普通计算机”芯片大很多，规格不一样，而且整个生产线也比普通计算机短，生产速度慢，自动化程度也低，所以只能借鉴普通计算机的生产工艺流程、质量标准，再搭配上合适的软件和硬件（设备）。
1、解决软件
芯片制造第一步就是芯片设计，芯片设计需要专门的设计软件（EDA），在普通计算机领域，70％的设计软件都被国外所垄断，大家都知道这是非常危险的，一旦被制裁，我们不可避免地会受到很大的限制。
悟空在“制造关”解决的第一个问题就是“软件关”。本源量子公司为了避免受制于人，开发了自己的设计软件（Q-EDA）：“本源坤元”，该软件同时支持超导和半导体芯片版图自动化设计，已经用在“悟空”的生产线上了，解决了传统芯片研发的复杂过程。
2、解决硬件
软件有了，就要有硬件了。悟空在“制造关”解决的第二个问题是配齐量子计算机的生产设备。
自2022年1月开始，为顺利生产，本源量子公司为整个生产线陆续配套了24台量子芯片生产设备，其中有3套是自研产品。量子计算机制造流程被分为六个部分，各部分包括仪器如下：
硬件、软件都具备了，接下来就是提高“生产效率”和“产品质量”了，这也是悟空在“制造关”解决的第三个难题：提高“生产效率”和“产品合格率”。
3、提高生产效率和产品合格率
从整个生产线来看，影响生产效率的主要原因是“人工检测时间太长”，影响产品合格率的主要原因是：生产过程中“高温”现象造成“约瑟夫森结”参数发生改变，影响芯片性能，造成芯片废品。
（1） 解决“人工检测”时间太长
跟传统芯片制造一样，量子计算机“芯片”经过光刻、镀膜等工序后，必须经过检测合格后，才能进行“封装”，成为合格芯片。最初“检测”环节都是人工检测，由于量子计算机正常工作的温度非常低（零下273），所以检测条件很苛刻，每次人工检测，基本需要一个月时间，而且检测时极易在芯片表面造成划伤，增加了芯片的废品率。
针对此情况，科研人员研发了“无损探针仪”，从图片上我们可以看出，无损探针仪前面有三根很细的针，直接连接着电脑屏幕，可以将芯片的情况直接放大至屏幕，检测人员通过屏幕可以很清楚的看到芯片的状况，并对不好的地方进行标注。
这台无损探针仪，最小测量面积小于平方微米，探针造成的薄膜凹坑深度小于100纳米，完全不影响芯片的性能，对芯片质量无任何损伤。
启用这台仪器以后，大大缩短了芯片测量时间，原来人工检测需要一个月，现在只需要半天就可以完成。
（2）修复“约瑟夫森结”
“约瑟夫森结”是决定量子芯片强大计算能力的重要因素，一片芯片上会有好几百个“约瑟夫森结”，怎么解决“约瑟夫森结”一遇“高温”就改变参数呢？
“约瑟夫森结”有个奇妙的特性：当“约瑟夫森结”参数不正确时，我们可以重新升高温度，再控温、降温，通过精确的控制降温过程的参数，就可以重新把“约瑟夫森结”调整到我们需要的状态。科研人员根据这一特性，发明了“激光退火仪”。
大多数不合格芯片并不是全部都坏了，一般都是某几个点有问题，这就需要精准修复了，加工时，“激光退火仪”打出一束温度很高又很细的能量束，只对“坏点”进行加热和参数修正，这样就能把不合格的芯片产品重新变成合格产品，提高了合格率。
自从启用了这两台我国自研设备，芯片的合格率提升了10倍左右。
除此之外，我们在材料方面也投入了大量的精力，因为量子芯片正常工作时温度非常低，所以必须要有能够适应低温工作状态的材料。
四、悟空如何闯“调试检测关”
芯片制造完要进行组装，组装完成后就进入“调试检测关”了。量子计算机外观非常像个桶，内部由各种电线连接着芯片上的“接线柱”，这台量子计算机质量到底如何呢？这就需要通过量子计算机整机性能的调试和检测。
整台量子计算机既有硬件检测，也有软件检测。
1、硬件检测：制冷作用检测
量子计算机上密密麻麻的线叫“冷盘”，主要作用是“制冷”和“传递信号”。
前面说了，量子芯片正常工作时的温度非常低，所以硬件必须具备两个性能：
（1） 对接良好，为芯片提供连续、稳定的低温工作环境。
（2） 连接“量子测控一体机”和“量子芯片”，完成“信号”从室温到低温“逐级传递”的过程。
这样硬件必须经过一个非常严格的检测“制冷检测”，要求“冷盘”必须能够达到零下275度，以保证量子计算机的正常运转和工作。
2、软件检测：主要指软件使用情况和计算机运行情况检测，包括“量子软件”和“量子测控系统”检测。
我们用户的“指令”是如何传递到“量子芯片”上的呢，共分 5 步：
（1）用户先通过“量子软件”将“指令”编译成“量子信号”。
（2）将“量子信号”输入至“量子测控一体机”。
（3）“量子测控一体机”对“量子信号”重新进行编译，形成“控制信号”。
（4）“控制信号”通过线路传递至量子计算机常温端口。（最上方，第五级）。
（5） 量子计算机“冷盘”对“控制信号”逐级降温，最后传递给“量子芯片”。
“量子芯片”就可以按照“控制信号”要求进行工作了。整个过程很长，也很繁琐，需要各部分联动，相互配合，才能得出精准的计算结果。
上面这些过程能够顺利完成了，说明量子计算机的软件和硬件也都达标了，也就完成了量子计算机的“整机检测”。
朋友们不要看到我们“悟空”和西方差距很大就唉声叹气，（IBM：433比特（尚未验证），谷歌72比特、悟空64+比特），我们这条生产线技术人员非常有潜力，平均年龄不到30岁，一年时间不仅配齐了设备，还生产了1500多个批次的产品，交付了多个批次的“量子芯片”和“量子放大器”。
而且我们的量子计算，已经在金融、生物医药、化学材料、人工智能等方面开始大量应用。希望我们在2030年和世界强国一起跨入比特位数较高的通用量子计算机时代。
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