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最近，跟着韩国团队发布据称具有常温超导潜力的LK-99资料以及其制备办法后，在全世界的科研界掀起了一阵旋风，各个团队都企图从试验和理论视点证明（或许证伪）LK-99的常温超导特性。

LK-99成为全球科研界重视焦点的首要原因在于常温超导假如真的完结，将会使得超导的完结门槛大大下降，然后让许多依据超导的运用得到广泛运用。而在这些依据超导的运用中，和半导体职业联系*的，可谓便是量子核算机了。

量子核算机和惯例核算机的首要不同在于，惯例核算机中每一个数字位只是代表1bit信息，该数字位要么是0，要么是1。一切依据惯例核算机（图灵机）的算法也是依据这样的假定去规划的，而事实上这样的假定带来了一些核算上的约束，这也导致了许多重要的问题运用图灵机的算法求解无法在合理的时刻内完结核算。这其间就包含了一系列科学核算问题（例如化合物性质模仿，量子进程模仿等），*化问题（例如最短途径以及交通*规划等）以及解密核算等。这些问题一般称之为NP问题，即运用图灵机无法在多项式时刻复杂度之内完结核算的问题（一般以为在核算时刻与核算规划之间呈多项式联系的问题都是可以在可控时刻内完结核算，而假如核算的时刻与核算规划呈指数联系那么就无法在合理的时刻内完结核算了）。

为了处理这些惯例图灵机无法在合理时刻内完结核算的问题，量子核算机就应运而生了。量子核算机中，不再运用疏通的数字位，而是运用量子位（qubit）。量子位和传统的数字位*的不同在于量子位可以完结状况叠加，即一个量子位可以一起处于0状况或许1状况，而只是在读出成果的时分会依据各个状况的概率散布回归到1或许0。因而，运用量子位这样奇特的特性，量子核算机可以在多项式时刻内完结一系列NP问题的求解，然后在需求运用NP算法的重要范畴（包含前面说到的科学核算和*化问题）中发挥极其重要的效果，让之前无法准确求解的问题能完结准确求解。

现在，现已有谷歌、IBM、IMEC等全球*的科研组织完结量子核算机原型机的制备，而在这些干流的量子核算机中，量子位都是通过超导完结的。详细的原理是，量子位运用超导LC谐振网络完结，这样的超导LC网络在约瑟夫森效应的效果下将会有量子化的能量状况，然后能表征量子化的0和1。

在常温超导呈现之前，超导需求的温度很低（一般十分挨近*零度，例如10mK等级），在这样的条件下量子核算机需求巨大的冷却设备，然后约束了量子核算机的开展和遍及；因而假如常温超导真实完结，将会成为该范畴重要的推进力。

超导量子核算机芯片规划

众所周知，现在核算机架构中的首要组成部分（包含处理器，存储器）都由半导体芯片完结，而在运用超导的量子核算机中，也离不开半导体芯片。

如前所述，量子位可以由超导LC谐振电路完结，而关于量子位的操控则可以通过给超导LC电路注入不同的鼓励信号来完结。详细来说，会需求给量子位的LC谐振电路注入沟通信号（XY）和直流信号（Z）。沟通信号一般是一个通过调制的脉冲，而直流信号则需求能完结准确操控起伏。这样的量子位操控经由依据半导体的ASIC芯片来完结。

在量子位操控ASIC中，芯片要完结的首要功能是高信噪比的信号调制：其间XY通路需求发生脉冲，而Z通路则首要是直流信号。事实上，这样的需求在现在的无线通信运用中现已十分常见，因而量子位操控ASIC的电路规划事实上和射频电路也很类似。举例来说，谷歌的量子核算团队在本年的ISSCC上发布了其最新一代的量子位操控ASIC电路规划。XY通路方面，电路架构和射频芯片中的IQ调制发射器很挨近：首要在基带运用数模转化电路（DAC）将数字信号转化为模仿基带信号，然后模仿基带信号再通过上变频电路变频到射频频率（一般是5－7 GHz规划），而且用这样的射频调制信号去操控XY通路。

在Z通路方面，因为需求准确操控Z的直流值，电路可以运用数模转化电路将数字操控信号直接转化成相应的模仿信号。

由此可见，量子核算离不开半导体芯片来操控量子位，这样的操控是通过发生调制脉冲信号或许直流信号来完结的，这样的进程和无线通信很挨近，因而干流的量子位操控电路和无线通信中的射频电路也很挨近。

量子位操控芯片的应战

量子位操控芯片规划可以参照现在已有的射频电路，可是也有自己的应战。

清华大学团队研制的低温超导量子核算机量子位操控芯片，宣布在ISSCC 2023上

首要，现在的超导都需求在几乎是*零度的温度下作业，考虑到制冷设备，量子位操控芯片也需求在挨近*零度的条件下作业（3-4 K）。可是，现在干流芯片规划PDK中的晶体管建模的低温规划只是掩盖到零下40度（即233 K），离量子位操控芯片需求的3-4 K相距甚远。假如没有好的PDK建模，必然会对量子位操控芯片规划带来应战。PDK*步需求处理根本建模的问题，即在如此低的温度条件下，一个典型的晶体管行为（包含电流、噪声、非线性等）是怎么的。在完结根本建模之后，PDK还有必要要供给低温条件下晶体管行为的核算建模，包含晶体管的mismatch、不同工艺角下的晶体管功能差异，而假如要进一步扩展量子核算机的规划，需求运用更大的量子位操控芯片，那么大规划芯片上的片上工艺差异建模也会变得重要。这一步将会是量子位操控芯片进入量产的重要一步。

现在，超导量子核算机以及相关芯片的规划首要由高校以及科技公司（例如谷歌、IBM）的相关研讨部分主导，常用的半导体芯片工艺是老练的28nm。为了让超导量子核算机真实进入量产，半导体职业的相关公司（包含EDA、代工厂等）也有必要能有相应的动作。在这个方向，Synopsis现已和英国的其他六个高校研讨组织组成了一个低温芯片研制团队，其间由Synopsis供给依据TCAD的EDA才能，协助完结低温半导体相关的建模作业，方针是可以在未来供给通过验证的低温半导体芯片IP，然后加速整个超导量子核算机的研制。

除了低温之外，量子位操控芯片的噪声和非线性功能也很重要：量子位的一个要害目标便是保真度（fidelity），为了完结量子位数量的进步，每个量子位的保真度都有必要做到99.9%或许更高，不然量子核算时机因为每个量子位保真度不行而无法完结有用的核算；而量子位的保真度和量子位操控芯片的噪声和非线性功能休戚相关。因为量子位操控芯片和射频芯片架构类似，因而在射频芯片中呈现的噪声和非线性问题也会相同呈现在量子位操控芯片中。为了确保保真度抵达规范，量子位操控芯片的信噪比（SDR）要抵达35dB以上，这就需求量子位操控芯片中的每个模块（例如DAC、LO等）都有很好的噪声和线性度，一起从架构视点也要确保LO走漏等目标要足够低。

最终，从冷却视点考虑，量子位操控芯片的功耗也不能太大。在低温超导核算机中，量子位操控芯片的功耗假如太大，则其发出的热量会超越冷却设备的才能规划，然后让超导量子位的温度过高而无法真实作业在超导状况。一般来说，需求量子位操控芯片的功耗操控在10-20 mW/qubit以下来满意温度操控的需求。

常温超导若完结，将推进量子位操控芯片快速开展

前述的超导量子核算机和量子位操控芯片都需求作业在挨近*零度温度规划里，而假如常温超导（例如LK-99的超导性真实被验证）完结而且可以用来制作量子位的话，超导量子核算机可望会取得跨越式开展。在常温超导的条件下，现在量子核算机中需求的超低温冷却设备就无须再运用，这就大大下降了量子核算机制备的门槛，让更多组织有时机能参加量子核算机的研制作业。

从另一个视点来看，即便超导的门槛下降了，可是关于量子位操控芯片的需求并没有变低：现在量子核算机的一个重要瓶颈便是量子位和相关处理的保真度，因而量子位操控芯片的功能至关重要。假如LK-99这样的常温超导真的变成实际且运用在量子核算机里边，咱们估计关于量子核算机芯片有如下影响：

假如量子位操控芯片可以在常温下作业，这关于相关芯片器材建模的要求下降了（即可以运用现现已过很多验证的常温PDK来完结规划），别的关于量子位操控芯片的功耗要求也可会更宽松一些（因为只需操控在常温下作业，因而散热的需求下降了）

超导量子核算机功能进步的需求会大幅加速，在这个视点来看量子位保真度需求更高了（例如假如需求把量子位数量进步到上千个，则保真度或许99.9%现已不行用，需求到99.99%乃至99.999%），这就关于量子位操控芯片的功能提出了更高的需求：信噪比，线性度等等都需求大幅进步来满意需求

最终，量子位操控芯片的电路规划会进一步进化，来满意量子核算机的需求。量子位操控芯片会进一步从无线通信芯片电路的已有研讨中获取创意，一起也会需求可以处理自己共同的应战。跟着越来越多的科研团队重视超导量子核算，估计该范畴会成为芯片电路研讨范畴一个新的抢手方向。