幾家量子公司正在討論構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略利用半導(dǎo)體制造商在過(guò)去 75 年中進(jìn)行的數(shù)萬(wàn)億美元投資。為了深入挖掘，我們決定與兩家不同的公司進(jìn)行交談，GlobalFoundrie和 Snowcap Compute，它們正在采取截然不同的方法將其半導(dǎo)體技能應(yīng)用于量子硬件。

格芯

第一家公司是 GlobalFoundries，這是一家跨國(guó)半導(dǎo)體代工廠，最初于 2009 年由 AMD 制造業(yè)務(wù)分拆而成。他們?cè)隈R耳他、紐約、德國(guó)德累斯頓和其他地方設(shè)有主要設(shè)施。

GlobalFoundries正在與多家量子硬件公司合作，包括PsiQuantum、Equal1、Quantum Motion、Diraq、Archer、Xanadu等。他們?cè)诹孔蛹夹g(shù)方面的初步工作可以追溯到 2018 年，當(dāng)時(shí)他們與多倫多大學(xué)合作。

自旋量子比特與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體最相似，Equal1、Quantum Motion 和 Diraq 都使用這種模式。對(duì)于自旋量子比特，GlobalFoundries可以利用他們的22FDX工藝，這是一種22納米的完全耗盡的絕緣體上硅（FD-SOI）。GlobalFoundries不需要任何新設(shè)備來(lái)為這些公司制造自旋量子比特，盡管這些設(shè)計(jì)可能需要獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，從而違反正常的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)規(guī)則。他們還在考慮使用同位素純硅 28 起始晶圓來(lái)改善量子比特相干時(shí)間，這不會(huì)改變?cè)O(shè)備或工藝流程。

構(gòu)建在低溫下運(yùn)行的CMOS芯片的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是，用于模擬設(shè)計(jì)的工藝模型沒(méi)有針對(duì)非常低的溫度進(jìn)行表征。與許多半導(dǎo)體指定的更典型的 0-70 攝氏度（273-343 開(kāi)爾文）相比，CMOS 晶體管在 15 毫開(kāi)爾文下工作時(shí)可能具有截然不同的電氣特性。這使得設(shè)備建模和仿真變得非常困難。22FDX 工藝的優(yōu)點(diǎn)是其背面連接，允許用戶控制 VT（晶體管閾值電壓）。因此，即使公司無(wú)法對(duì)低溫下的特性進(jìn)行建模，他們也可以調(diào)整施加到該背面連接的電壓，直到達(dá)到適當(dāng)?shù)木w管特性。除了制造自旋量子比特外，該工藝還可用于量子計(jì)算機(jī)中的低溫讀出芯片。22FDX工藝在GlobalFoundries位于德國(guó)德累斯頓的晶圓廠制造。

他們使用 PsiQuantum 所做的光子工作完全不同。這項(xiàng)工作需要GlobalFoundries在紐約馬耳他工廠中安裝的專用資源，需要數(shù)百萬(wàn)美元的投資。2022 年 4 月，美國(guó)國(guó)防部提供了 2500 萬(wàn)美元來(lái)支持 GlobalFoundries/PsiQuantum 合作伙伴關(guān)系。GlobalFoundries與PsiQuantum密切合作，根據(jù)他們的需求開(kāi)發(fā)了定制工藝，這也產(chǎn)生了其他好處。與PsiQuantum的合作使GlobalFoundries能夠增強(qiáng)其光子工藝，然后可用于為其他客戶提供服務(wù)。

當(dāng)世界級(jí)半導(dǎo)體代工廠考慮與量子技術(shù)公司合作時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是預(yù)期數(shù)量。這些制造設(shè)施需要數(shù)十億美元的資本投資和大量的工程支持費(fèi)用。為了盈利，他們需要需要數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)片晶圓的項(xiàng)目才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。盡管量子項(xiàng)目目前還沒(méi)有達(dá)到這個(gè)水平，但GlobalFoundries認(rèn)為量子技術(shù)非常重要，未來(lái)將需要大量的量子。這就是為什么他們現(xiàn)在進(jìn)行投資，以便在量子行業(yè)的發(fā)展中在為量子行業(yè)提供制造服務(wù)方面占據(jù)領(lǐng)先地位。

Snowcap 計(jì)算

我們采訪的第二家公司是一家名為 Snowcap Compute 的初創(chuàng)公司，該公司正在采取一種截然不同的方法，有可能解決量子硬件公司在擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)遇到的問(wèn)題。

眾所周知，大型數(shù)據(jù)中心的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)導(dǎo)致電力需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心可能有多達(dá) 10,000 到 100,000 臺(tái)服務(wù)器，并消耗高達(dá) 100 兆瓦的功率來(lái)滿足微處理器、GPU、空調(diào)和其他需求。這是電力公司和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商都關(guān)心的問(wèn)題，一些公司甚至考慮在數(shù)據(jù)中心旁邊共建一座核電站供電。

Snowcap 最近獲得了 2300 萬(wàn)美元的種子風(fēng)險(xiǎn)投資基金，它正在推廣一種不同的解決方案。他們決定使用另一個(gè)基于過(guò)冷約瑟夫森結(jié)的邏輯系列，稱為單通量子 （SFQ），而不是提供基于 CMOS 的半導(dǎo)體邏輯。SFQ 將信息存儲(chǔ)為磁通量，而不是在晶體管中流動(dòng)的電流。重要的是，它在低溫下運(yùn)行，功率提高了 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)，運(yùn)行速度提高了約 10 倍。他們團(tuán)隊(duì)中的一些成員已經(jīng)使用 SFQ 邏輯超過(guò) 10 年。他們擁有 28 納米工藝技術(shù)、300 毫米晶圓尺寸的晶圓廠來(lái)生產(chǎn)這些電路，并且他們已經(jīng)獲得了 Cadence 的 EDA 支持。

盡管 Snowcap 技術(shù)的主要市場(chǎng)是人工智能數(shù)據(jù)中心，但這項(xiàng)技術(shù)也可能對(duì)使用同樣在低溫下運(yùn)行的超導(dǎo)和自旋量子比特模式的量子硬件公司具有吸引力。GQI 在其報(bào)告《通往肖爾時(shí)代量子計(jì)算之路》中廣泛研究了量子系統(tǒng)在擴(kuò)展時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。對(duì)于超導(dǎo)和自旋量子比特系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，擴(kuò)展的兩個(gè)挑戰(zhàn)很突出：布線和熱量。

通常，控制系統(tǒng)中的量子比特需要每個(gè)量子比特一根或多根線。目前大多數(shù)系統(tǒng)使用室溫電子設(shè)備產(chǎn)生控制信號(hào)，并將其電線從頂部的室溫到底部的亞開(kāi)爾文溫度通過(guò)稀釋冰箱。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)只有大約 100 個(gè)量子比特時(shí)，這種方法目前有效，但需要一種新方法將數(shù)千個(gè)量子比特放置在單個(gè)稀釋冰箱中。有幾家公司正在尋求用于控制的冷凍CMOS芯片，例如英特爾，它為此開(kāi)發(fā)了Horse Ridge II和Pando Tree芯片。這種方法解決了布線問(wèn)題，因?yàn)橹恍枰獙⑸倭侩娋€從室溫控制器布線到冷凍CMOS芯片。就 Pando Tree 而言，該芯片直接位于量子比特芯片旁邊，信號(hào)可以通過(guò)電路板進(jìn)行路由。

然而，發(fā)熱問(wèn)題仍有待解決。盡管控制單個(gè)量子比特的功率很低，但當(dāng)乘以數(shù)千個(gè)量子比特時(shí)，這個(gè)數(shù)字可能會(huì)顯著增加。這種功率會(huì)產(chǎn)生熱量，會(huì)壓垮稀釋冰箱的冷卻能力。例如，Bluefors XLD1000冰箱在 20 mK 時(shí)的額定冷卻能力為 30 μW。這將限制單個(gè)稀釋冰箱內(nèi)可以放置的量子比特?cái)?shù)量，需要多個(gè)模塊的大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)所需的尺寸。（對(duì)此的詳細(xì)分析，詳見(jiàn)上文引用的《通往肖爾時(shí)代量子計(jì)算之路》）。

這就是 SFQ 邏輯變得相關(guān)的地方。它有可能顯著降低控制量子比特所需的功率，從而允許在稀釋冰箱內(nèi)放置更多量子比特。此外，更快的速度還可以提高系統(tǒng)速度，從而縮短運(yùn)行時(shí)間。一些公司正在使用 SFQ 邏輯。SEEQC 開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)已有一段時(shí)間了，最近宣布在 DARPA 的量子基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃下與 IBM 合作。有傳言稱 D-Wave 正在其基于門的量子計(jì)算機(jī)程序中考慮 SFQ 邏輯。Snowcap 正在為尋求量子比特?cái)U(kuò)展問(wèn)題解決方案的量子公司提供服務(wù)。雖然冷凍CMOS可能是一種可能的解決方案，但使用SFQ方法可能會(huì)提供額外的優(yōu)勢(shì)。