關(guān)于量子水處理器制造的問題
現(xiàn)在很多人都很關(guān)心量子計(jì)算機(jī)，自然也十分關(guān)注量子處理器。前一篇文章我粗略介紹了D-Wave 2000 Q量子處理器的顛覆設(shè)計(jì)，網(wǎng)友們對(duì)此關(guān)注度非常高。
那么本期我接著上期內(nèi)容，參照D-Wave公司發(fā)表D-Wave量子系統(tǒng)的量子編程白皮書，簡(jiǎn)單介紹Wave 2000 Q量子處理器生產(chǎn)和封裝。
了解D-Wave量子系統(tǒng)設(shè)計(jì)都知道，量子處理器是由超導(dǎo)材料制造的集成電路。其實(shí)量子處理器的宏觀設(shè)計(jì)思路和傳統(tǒng)處理器的設(shè)計(jì)很相似，那么，它的生產(chǎn)和封裝自然也不例外。雖然現(xiàn)在D-Wave公司量處理器制造技術(shù)已經(jīng)基本成熟，但是有待提高，還沒能夠大規(guī)模生產(chǎn)量子處理器。
量子水處理器的生產(chǎn)
量子處理器的生產(chǎn)技術(shù)是由傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路的工藝上改進(jìn)而來
圖4展示了量子處理器單元QPU的真實(shí)放大畫像，這是超導(dǎo)電子鑄造廠生產(chǎn)出來的QPU晶片。可以看出，量子處理器單元QPU好像郵票一樣被“壓印”在硅晶片上。這種“壓印”技術(shù)并不是什么憑空產(chǎn)生的新技術(shù)，而是由生產(chǎn)制造半導(dǎo)體集成電路的工藝上改進(jìn)而來的。
在圖4的硅晶片放大圖中，可以清晰地看到幾個(gè)量子處理器單元QPU。圖中區(qū)域最大、最靠近底部中心的地方就有128個(gè)量子位連接在一起，而它們之間總共連接的電氣元件多達(dá)352個(gè)。
圖中清晰可見的交叉陰影線是每個(gè)量子處理器單元QPU上的量子比特位/耦合器電路。這個(gè)就是被稱之為Rainier QPU的量子處理器單元，D-Wave One量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部量子處理器單元就是這種QPU類型。當(dāng)然，最新的D-Wave 2000 Q量子處理器依然采用同樣的設(shè)計(jì)。
充分利用半導(dǎo)體基礎(chǔ)生產(chǎn)技術(shù)可以量產(chǎn)量子處理器
在生產(chǎn)制造大規(guī)模集成電路的時(shí)候，充分利用半導(dǎo)體的基礎(chǔ)技術(shù)是很重要。從幾十年半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看，充分利用半導(dǎo)體集成電路的優(yōu)勢(shì)足以使QPU的生產(chǎn)制造商業(yè)化。
借鑒半導(dǎo)體工業(yè)中的基礎(chǔ)技術(shù)，足以讓D-Wave像高度集成電路那樣容易大規(guī)模生產(chǎn)制造。圖5所示是量子處理器單元QPU的橫截面，該橫截面是超導(dǎo)電子鑄造廠生產(chǎn)D-Wave的量子處理器時(shí)候所拍攝的顯微鏡橫截面照片。圖中中間層底部，集成有約瑟夫森結(jié)。
已經(jīng)成熟的量子處理器制造技術(shù)
目前已經(jīng)成熟開發(fā)的量子處理器制造工藝能夠生產(chǎn)LSI（Large-Scale Integration 大規(guī)模集成化）超導(dǎo)電路。D-Wave 2000Q系統(tǒng)中2000個(gè)量子比特位使用的技術(shù)是128,000+約瑟夫森結(jié)，而該項(xiàng)技術(shù)就是前面所說的量子處理器的大規(guī)模集成超導(dǎo)電路。這是目前唯一能夠生產(chǎn)如此復(fù)雜超導(dǎo)處理器的超導(dǎo)制造技術(shù)。
制造技術(shù)雖已成熟，但是有待提高
要想提高量子處理器的性能，必須提高該制造技術(shù)的產(chǎn)能。因?yàn)楫a(chǎn)量越大，量子比特位就越多，量子處理器的性能就越強(qiáng)大，不過這需要長(zhǎng)期且大資金的投入。
為了讓量子比特位能夠像經(jīng)典處理器晶體管那樣翻倍遞增（摩爾定律），必須在未來的五年時(shí)間內(nèi)，提高超大規(guī)模集成電路中的超導(dǎo)電路集成度（每個(gè)量子處理器約瑟夫森結(jié)的數(shù)量超過一百萬）。
量子處理器的封裝
和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)晶片一樣，從晶圓廠完成生產(chǎn)和切割之后，自然需要封裝才可以使用。不過量子處理器封裝有點(diǎn)不一樣，量子處理器所謂的封裝，就是量QPU量子處理器單元連好線路，方便放入量子計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行。
為了構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)，從晶圓片中選取其中一個(gè)QPU，并將其置于QPU封裝系統(tǒng)的中心，如圖6所示。QPU是已經(jīng)與量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部其他元器件相互連接好信號(hào)線，圖6是一張QPU的沒有封裝好的照片，可以清楚地看到印刷電路板周圍的信號(hào)線。
與QPU上的可編程元件相比，輸入線路的數(shù)量要少得多。QPU可以通過附加電路實(shí)現(xiàn) - 以多路分解器、信號(hào)路由和尋址的形式 - 所有這些都在芯片上的超導(dǎo)邏輯電路中實(shí)現(xiàn)。
小結(jié)
量子處理器雖然是個(gè)顛覆性的設(shè)計(jì)，但是在生產(chǎn)技術(shù)依然是是由傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路的工藝上改進(jìn)而來。這樣很好，能夠充分利用以前集成電路大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，使得量子處理器的生產(chǎn)技術(shù)很快成熟。
不過，量子處理器的高度集成電路不是半導(dǎo)體材料，而是超導(dǎo)材料。這就使得量子處理器短時(shí)間實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并非易事。實(shí)際上，目前超導(dǎo)量子處理器的常量只能滿足D-Wave公司以及它的客戶的量子計(jì)算機(jī)的基本需求。總之，還是那句話，制造技術(shù)雖已成熟，但是有待提高，還沒能達(dá)到量產(chǎn)的階段。
對(duì)于量子處理器的介紹已經(jīng)到了中期，本期又是很多專業(yè)術(shù)語(yǔ)，基本都是量子超導(dǎo)領(lǐng)域的。由于知識(shí)水平有限，很多新詞都是英文原詞，中文翻譯不是很好，請(qǐng)見諒。下期我會(huì)簡(jiǎn)單介紹如何利用量子處理器搭建D-Wave量子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)到磁屏蔽和內(nèi)部布線、冷卻等。
