迎接量子未来，步入数字创新加速时代

想象一下，数千盏闪闪发亮的枝形吊灯，悬挂在一个大而冷清的宴会厅天花板上。每盏吊灯都用精细的铜线制成,在它们精巧的环状结构中，有几个区块由氦气管道冷冻来维持极低的温度。这个人类智慧凝结而成的神奇装置，解决问题的速度比当今最快的超级计算机还要快两亿倍。虽然这种设置源自于Jules Gabriel Verne 的小说《奇异的旅行2020》，但它却描述了真实的量子计算中心，有足够颠覆这个世界解决问题方式的潜力。

量子计算机利用量子力学的基本原理，在低至开尔文零度 (-273.15°C) 的条件下运行时，理论上可以一次执行一百万次计算，并能在几分钟内解决最复杂的问题。如果让当今的传统计算机和超级计算机来完成这样的任务，则需要数千年时间。量子计算机可以完成金融风险计算、分子科学、智能交通控制、疫苗研发和天气预报等任务。量子计算机完全有能力推动由5G、人工智能 (AI) 和物联网 (IoT) 驱动的各个行业的应用，并拥有推动各个领域飞速进步的无限可能。

虽然量子计算早在 20 世纪 80 年代就已问世，但直到最近几年，量子计算的发展时间线和其应用才开始变得清晰——从电路到原子再到建立一个新的计算时代。虽然摩尔定律的放缓限制着传统半导体行业的增长，但即使是非传统行业，对这一新兴领域的创新和兴趣也在不断提升。

传统计算 v.s.量子计算

传统计算机用 0 或 1 的二进制位存储信息,而量子计算机用量子位 (qubit)叠加的状态存储数据。由于量子物理学的特殊性质，数据可以同时为0、1 或两种状态的混合。

每个单独的量子位都可以占据一个表示无限值的连续状态。与传统计算机的顺序性不同，它允许量子位并行处理信息。以量子位表示，30个量子位的指数速度意味着可以同时进行十亿次计算！

我们以掷硬币作为类比。根据经典的概率理论，当您抛硬币时，它有 50/50 的几率出现正面朝上或者反面朝上。然而，当您引入量子力学的理论时，结果可能是正面、反面以及正面和反面叠加，具体取决于硬币的方向。由于有机会利用大量数据来探索指数级的可能性数量，量子计算能够超越传统系统，成为一个极具吸引力和实用性的解决方案。在众所周知的思想实验“薛定谔的猫”中，一只假想的猫可能同时存活和死亡，因为它的命运与一个可能发生或可能不会发生的随机亚原子事件相关联，这反映的正是量子叠加的悖论。

通过一种称为“纠缠”的属性，成对的量子位也可以彼此交织在一起，从而允许两个量子位存在于单一量子状态中，但处于不同维度。这减少了信息处理所需的时间和计算能力，而不用管这些系统之间相隔多远。有趣的是，这种不寻常的现象违背了传统的科学规范——任何信息的传输速度都不能超过光速。这种现象让一些研究人员和科学家非常困惑，包括爱因斯坦，他称之为“远距离的幽灵作用”。

据估计，量子计算市场将从2019年的5.071 亿美元增值2030年的649.8 亿美元。一部分公司、风险投资者和全球各地政府将继续大力投资这一行业。

量子计算对芯片设计的影响

吸引晶圆厂、EDA 和半导体公司向量子计算迈进的因素是，量子计算具有以极快的速度、跨越线性方程系统搜索、优化和模拟大量数据的广泛能力，使用计算机模拟技术来开发和优化半导体材料、工艺技术和设备是优化芯片性能的关键。目前，业界最快的硅中双原子量子比特门以 0.8 纳秒的惊人速度完成一项操作，比现有的其他自旋双量子比特门快约 200 倍。

为超导电子 (SCE) 启用的商业 EDA 工具可以支持更大规模的设计、更高质量和更广泛地采用超导特性。创建新的电路设计，可以使简单的超导设备制造成本大大降低，并更快地实现量子计算的承诺。

在现有电子设计工艺中，存在已知的商业方法用于扩展设备，使得晶体管更小、更密集且更互连，以创建复杂的处理器。但要想既能扩展量子计算应用，又能够适应制造变化敏感性的设计，仍存在许多未知因素。

如今，已经出现了一些关键的方法来构建可扩展量子架构，包括使用离子阱构建系统、CMOS（互补金属氧化物半导体）硅，以及光子的创新。为了推进量子计算机的设计，硅和光子架构以及支持 SCE 和深低温的自动化工具将至关重要。

量子计算广泛应用的关键挑战

为了使量子计算能真正地提供一种完全不同的计算方式，并从科研走向广泛应用，有三个关键挑战需要解决：

噪声：在与环境交互时，相互纠缠的量子位暴露于噪声中，可能会损坏正在处理的信息、扰乱并改变状态，从而破坏关键计算。

纠错：由于非克隆定理的存在，采用冗余的经典纠错码方法不能直接转化为量子纠错，因此对保护信息特定方法的需求成为主要障碍。

退相干性：由于量子位在本质上是易变的，因此退相干性使得量子位难以保持量子状态。这反过来又使得纠错、加速性能、增强操作保真度以及扩展强大的量子计算机所需的量子位数量成为挑战。

不少公司需要投资多款下一代工具，以便设计师能成功地仿真、模拟和全面验证芯片设计，为方程式增加了大量时间和计算能力，即使有最好的传统计算机也是如此。然而，如果量子计算机能同时完成这些计算，那么它将会把仿真所耗费的时间从数周大幅降低到数小时，并为 EDA 供应商和客户提供用于高科技创新和智能硬件平台和软件应用的新途径。

趋势预测：光子学助力芯片创新

量子计算中最热门的领域是光子学的应用。集成光子领域始于 20 世纪 90 年代初的远距离通信，当时铜缆链路被光纤链路所取代，将更多波长或颜色的光送入光纤，以便传输更多数据。随着其应用发展到今天的高速光收发器，研究人员和商业公司了解到，可以开发出模拟典型电子元器件（如晶体管和电容器）的设备，操纵光的特性，从而衍生出如生物传感、可编程光子、量子计算以及用于健康监测和自动驾驶等应用的3D传感。

在数据和云驱动通信的推动下，对带宽和低功耗连接的持续需求，引领了光子学和光子集成电路技术的进步。从开发新型量子光源到寻找操纵和检测光的量子状态的方法、光子集成电路 (PIC) 设计者的创新、向 2.5D 和 3D 形式的迁移，以及大型晶圆厂对光子的兴趣不断增加，让芯片设计计划中的光电子集成度更高。

这延伸到了硅基光子学，利用光子的应用与光（光子）一同协作，并使用硅作为主要光学介质。将强大的电子和光子电路结合，不仅提供了计算和通信之间的联系，还有助于减少功耗、提高效率，并取得集成和带宽的重大进步，以支持光学数据通信的最新发展。

随着集成光子领域的研究和探索不断加速，将硅交换技术与超导纳米线的单光子探测器相结合，我们预计其技术优势将在不远的未来解决当前量子计算机面临的挑战。

在量子竞赛中技高一筹

随着机构和科学家寻求扩展他们的量子之旅，并推动测试量子位在不同环境中表现的可能性，使用计算机模拟来优化半导体工艺技术将变得至关重要。新思科技提供业界领先的工艺和器件仿真工具，以及用于管理和分析仿真由图形用户界面 (GUI) 驱动的仿真环境。

QuantumATK 就是其中一个原子级的模拟平台，它在基于晶圆的数据可用之前，模拟电子、结构、磁性、光学、热等不同材料的特性和传输机制，大大降低了时间和成本投入。

随着集成光子从数据通信扩展到 AI、激光雷达和量子计算等领域，我们也看到了新设计活动的井喷，利用光的特性为下一代技术的性能、功耗和面积的优化提供新的可能性。这意味着设计团队需要成熟的设计工具用来快速、准确地验证复杂的 PIC 设计。新思科技 3DIC Compiler 平台集成了 OptoCompiler，是第一个统一半导体和光子设计的平台，它将成熟的光子技术与我们成熟的 3DIC 集成平台相结合，以实现快速设计的应用和验证，从而支持行业在这一领域的发展。

我们相信，光学数据传输很有可能成为从有源光缆至裸片到裸片连接之间距离更小的互连首选技术。让 IC 设计者能够使用光子电路仿真工具弥补硅基光子的差距，像创建标准 CMOS 流程一样创建 PIC，这将支持光通信和光量子处理器未来的发展路径。

迎接量子的未来

量子竞赛已经开始，这个领域的快速发展令人兴奋。也就是说，我们仍处于将量子计算的潜力发挥到极致的基准测试和商业化早期阶段。随着风险投资者、学术界和政府投入数百亿美元，光子学的未来也令人鼓舞。利用 CMOS 技术集成量子光子和大规模半导体的量子计算，将有助于为量子架构的众多创新和进步铺平道路。用巨大的计算能力并解决复杂问题的承诺不仅是一种想象，而是完全能够实现的。