常溫超導實現對半導體有何意義？

最近，隨著韓國團隊公布據稱具有常溫超導潛力的LK-99材料以及其制備方法后，在全世界的科研界掀起了一陣旋風，各個團隊都試圖從實驗和理論角度證實（或者證偽）LK-99的常溫超導特性。

LK-99成為全球科研界關注焦點的主要原因在于常溫超導如果真的實現，將會使得超導的實現門檻大大降低，從而讓諸多基于超導的應用得到廣泛應用。而在這些基于超導的應用中，和半導體行業關系最大的，可謂就是量子計算機了。

量子計算機和常規計算機的主要不同在于，常規計算機中每一個數字位僅僅代表1bit信息，該數字位要么是0，要么是1。所有基于常規計算機（圖靈機）的算法也是基于這樣的假設去設計的，而事實上這樣的假設帶來了一些計算上的限制，這也導致了許多重要的問題使用圖靈機的算法求解無法在合理的時間內完成計算。這其中就包括了一系列科學計算問題（例如化合物性質模擬，量子過程模擬等），最優化問題（例如最短路徑以及交通最優規劃等）以及解密計算等。

這些問題通常稱之為NP問題，即使用圖靈機無法在多項式時間復雜度之內完成計算的問題（一般認為在計算時間與計算規模之間呈多項式關系的問題都是可以在可控時間內完成計算，而如果計算的時間與計算規模呈指數關系那么就無法在合理的時間內完成計算了）。

為了解決這些常規圖靈機無法在合理時間內完成計算的問題，量子計算機就應運而生了。量子計算機中，不再使用暢通的數字位，而是使用量子位（qubit）。量子位和傳統的數字位最大的不同在于量子位可以實現狀態疊加，即一個量子位可以同時處于0狀態或者1狀態，而僅僅在讀出結果的時候會根據各個狀態的概率分布回歸到1或者0。因此，利用量子位這樣神奇的特性，量子計算機可以在多項式時間內完成一系列NP問題的求解，從而在需要使用NP算法的重要領域（包括前面提到的科學計算和最優化問題）中發揮極其重要的作用，讓之前無法精確求解的問題能完成精確求解。

目前，已經有谷歌、IBM、IMEC等全球頂尖的科研機構完成量子計算機原型機的制備，而在這些主流的量子計算機中，量子位都是通過超導實現的。具體的原理是，量子位使用超導LC諧振網絡實現，這樣的超導LC網絡在約瑟夫森效應的作用下將會有量子化的能量狀態，從而能表征量子化的0和1。

在常溫超導出現之前，超導需要的溫度很低（通常非常接近絕對零度，例如10mK級別），在這樣的條件下量子計算機需要巨大的冷卻設備，從而限制了量子計算機的發展和普及；因此如果常溫超導真正實現，將會成為該領域重要的推動力。

超導量子計算機芯片設計

眾所周知，目前計算機架構中的主要組成部分（包括處理器，存儲器）都由半導體芯片實現，而在使用超導的量子計算機中，也離不開半導體芯片。

如前所述，量子位可以由超導LC諧振電路實現，而對于量子位的控制則可以通過給超導LC電路注入不同的激勵信號來實現。具體來說，會需要給量子位的LC諧振電路注入交流信號（XY）和直流信號（Z）。交流信號通常是一個經過調制的脈沖，而直流信號則需要能完成精確控制幅度。這樣的量子位控制經由基于半導體的ASIC芯片來實現。

在量子位控制ASIC中，芯片要實現的主要功能是高信噪比的信號調制：其中XY通路需要產生脈沖，而Z通路則主要是直流信號。事實上，這樣的需求在目前的無線通信應用中已經非常常見，因此量子位控制ASIC的電路設計事實上和射頻電路也很類似。

舉例來說，谷歌的量子計算團隊在今年的ISSCC上發布了其最新一代的量子位控制ASIC電路設計。XY通路方面，電路架構和射頻芯片中的IQ調制發射器很接近：首先在基帶使用數模轉換電路（DAC）將數字信號轉換為模擬基帶信號，然后模擬基帶信號再通過上變頻電路變頻到射頻頻率（通常是5－7 GHz范圍），并且用這樣的射頻調制信號去控制XY通路。

在Z通路方面，由于需要精確控制Z的直流值，電路可以使用數模轉換電路將數字控制信號直接轉換成相應的模擬信號。

由此可見，量子計算離不開半導體芯片來控制量子位，這樣的控制是通過產生調制脈沖信號或者直流信號來完成的，這樣的過程和無線通信很接近，因此主流的量子位控制電路和無線通信中的射頻電路也很接近。

量子位控制芯片的挑戰

量子位控制芯片設計可以參照目前已有的射頻電路，但是也有自己的挑戰。

清華大學團隊研發的低溫超導量子計算機量子位控制芯片，發表在ISSCC 2023上

首先，目前的超導都需要在幾乎是絕對零度的溫度下工作，考慮到制冷設備，量子位控制芯片也需要在接近絕對零度的條件下工作（3-4 K）。但是，目前主流芯片設計PDK中的晶體管建模的低溫范圍僅僅覆蓋到零下40度（即233 K），離量子位控制芯片需要的3-4 K相距甚遠。

如果沒有好的PDK建模，勢必會對量子位控制芯片設計帶來挑戰。PDK第一步需要解決基本建模的問題，即在如此低的溫度條件下，一個典型的晶體管行為（包括電流、噪聲、非線性等）是如何的。在完成基本建模之后，PDK還必須要提供低溫條件下晶體管行為的統計建模，包括晶體管的mismatch、不同工藝角下的晶體管性能差異，而如果要進一步擴大量子計算機的規模，需要使用更大的量子位控制芯片，那么大規模芯片上的片上工藝差異建模也會變得重要。這一步將會是量子位控制芯片進入量產的重要一步。

目前，超導量子計算機以及相關芯片的設計主要由高校以及科技公司（例如谷歌、IBM）的相關研究部門主導，常用的半導體芯片工藝是成熟的28nm。為了讓超導量子計算機真正進入量產，半導體行業的相關公司（包括EDA、代工廠等）也必須能有相應的動作。在這個方向，Synopsis已經和英國的其他六個高校研究機構組成了一個低溫芯片研發團隊，其中由Synopsis提供基于TCAD的EDA能力，幫助完成低溫半導體相關的建模工作，目標是能夠在未來提供經過驗證的低溫半導體芯片IP，從而加速整個超導量子計算機的研發。

除了低溫之外，量子位控制芯片的噪聲和非線性性能也很重要：量子位的一個關鍵指標就是保真度（fidelity），為了實現量子位數量的提升，每個量子位的保真度都必須做到99.9%或者更高，否則量子計算機會由于每個量子位保真度不夠而無法完成有效的計算；而量子位的保真度和量子位控制芯片的噪聲和非線性性能息息相關。由于量子位控制芯片和射頻芯片架構相似，因此在射頻芯片中出現的噪聲和非線性問題也會同樣出現在量子位控制芯片中。為了確保保真度達到標準，量子位控制芯片的信噪比（SDR）要到達35dB以上，這就需要量子位控制芯片中的每個模塊（例如DAC、LO等）都有很好的噪聲和線性度，同時從架構角度也要保證LO泄漏等指標要足夠低。

最后，從冷卻角度考慮，量子位控制芯片的功耗也不能太大。在低溫超導計算機中，量子位控制芯片的功耗如果太大，則其散發的熱量會超過冷卻設備的能力范圍，從而讓超導量子位的溫度過高而無法真正工作在超導狀態。通常來說，需要量子位控制芯片的功耗控制在10-20 mW/qubit以下來滿足溫度控制的需求。

常溫超導若實現，將推動量子位控制芯片快速發展

前述的超導量子計算機和量子位控制芯片都需要工作在接近絕對零度溫度范圍里，而如果常溫超導（例如LK-99的超導性真正被驗證）實現并且可以用來制造量子位的話，超導量子計算機可望會獲得跨越式發展。在常溫超導的條件下，目前量子計算機中需要的超低溫冷卻設備就無須再使用，這就大大降低了量子計算機制備的門檻，讓更多機構有機會能加入量子計算機的研發工作。

從另一個角度來看，即使超導的門檻降低了，但是對于量子位控制芯片的需求并沒有變低：目前量子計算機的一個重要瓶頸就是量子位和相關處理的保真度，因此量子位控制芯片的性能至關重要。如果LK-99這樣的常溫超導真的變成現實且使用在量子計算機里面，我們預計對于量子計算機芯片有如下影響：

如果量子位控制芯片可以在常溫下工作，這對于相關芯片器件建模的要求降低了（即可以使用已經經過大量驗證的常溫PDK來實現設計），另外對于量子位控制芯片的功耗要求也可會更寬松一些（由于只需控制在常溫下工作，因此散熱的需求降低了）

超導量子計算機性能提升的需求會大幅加快，在這個角度來看量子位保真度需求更高了（例如如果需要把量子位數量提升到上千個，則保真度可能99.9%已經不夠用，需要到99.99%甚至99.999%），這就對于量子位控制芯片的性能提出了更高的需求：信噪比，線性度等等都需要大幅提高來滿足需求

最后，量子位控制芯片的電路設計會進一步進化，來滿足量子計算機的需求。量子位控制芯片會進一步從無線通信芯片電路的已有研究中獲取靈感，同時也會需要能夠解決自己獨特的挑戰。隨著越來越多的科研團隊關注超導量子計算，預計該領域會成為芯片電路研究領域一個新的熱門方向。

審核編輯：劉清