光刻机是生产CPU的必备设备，而由于美国的封锁，中国已经买不到最先进的光刻机，在这样的条件下，即使再先进的电路设计，也只能停留在纸面上，光刻机称了绕不过去的坎！

但最近好消息传来，12月3日，中国量子计算机“九章”，以76个逻辑运算量子比特，以100亿倍的速度直接碾压了2019年谷歌推出的53逻辑比特的“悬铃木”！量子计算机已经横空出世，未来还需要光刻机吗？

量子计算机的“CPU”是怎么样的？

提起计算机就离不开冯诺依曼结构，半个多世纪都过去了，我们现在在用的计算机还是由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成，其中最核心的设备就是运算器、控制器，这两部分现在将其集中在了一个叫做中央处理器的芯片中，这就是我们需要的CPU。

无论再强大的CPU，它也是由控制单元、存储单元和运算的单元组成，它的核心就是由各式各样的逻辑门电路，包括与门、或门、非门、与非门、或非门等。无论外界输入的是什么信息，但到了CPU这边，就只有0或者1，逻辑门只认这样对应的低高电平！

所以传统计算机的CPU需要集成几千万甚至上亿个门电路，光刻机就是将这些复杂的电路印到涂了光刻胶的CPU硅基片上，然后再溶解光刻胶、蚀刻、离子注入等在基片上制造出晶体管，它的精细程度就决定了在硅基片上能制造出多少个晶体管，所以光刻机直接就决定了CPU的级别！

CPU内部的电路结构

量子计算机的CPU是怎么样的？

量子计算机的最基本原理其实和电子计算机没差，它也是0和1来计算的，只是它代表0和1的方式有些不一样，比如光子的两个正交的偏振方向，磁场中电子的自旋方向，或核自旋的两个方向等，在测量之前，它的状态是叠加的，同时表示1和0！

传统计算机中一个比特就是一个逻辑门，而量子计算机中一个比特同时表示0和1外还有叠加态，这个方式就是量子计算机的态叠加原理，这会让计算机在处理速度上会快很多，因为2^n的方式增加，n就是量子比特位，也就是逻辑量子比特。

量子逻辑比特的致命缺点

我们知道，处于叠加态的量子有一个问题，它很容易塌缩，所以就会遭遇第一个问题，量子比特退相干了，计算过程玩不下去了，不过现在有了多个解决办法，比如三种量子编码（多个量子比特位的CSS纠错码、拓扑量子；量子避错码；量子防错码（量子芝诺效应））解决了退相干（量子坍缩）问题。

二项式量子纠错码示意图

量子计算机的几种结构

解决了退相干问题，接下来用哪种物理层面的量能级体系做量子比特呢？

现在比较流行的有核磁共振、离子阱，线性光学、超导、量子点等几种，核磁共振比较容易实现，但它量子比特难以大幅增加，2001年IBM就用核磁共振，用5个氟原子和两个碳原子的分子，总共7个量子比特（2^7经典比特）用秀尔算法完成了15的质因数分解。

离子阱和线性光学的相干性非常好，比较稳定，但它比较难集成化，我国潘建伟领导的“九章”量子计算机就是线性光学。

超导和量子点，比较容易集成，也就是做到芯片里，但它的相干性比较差，比如谷歌在2019年发布的Bristlecone量子芯片有72个量子比特，但由于相干性比较差，利用8个一组的量子比特作为纠错码，真正的逻辑比特只有9个量子比特！

72量子比特的“Bristlecone”(狐尾松)量子芯片

而在2020年发布的Sycamore（悬铃木）量子芯片中使用了142个量子比特，有88个量子比特用作耦合器工作，只有53（有一个是坏的）个量子比特作为逻辑运算！

Sycamore有53个真正可用的逻辑运算比特

从量子计算机的核心结构来看，离子阱和线性光学这两种无法集成，大家应该都已经看到“九章”的计算核心就是一个巨大的光学结构，这个想要集成到硅片上，几乎就是不可能的！

而另两种比如量子点和超导方式，却是可以集成到硅基片上的，而美国主攻的也是这个方向，包括此前GOOGLE公开的两个量子计算机都是这个结构。

到底要不要光刻机？

从超级量子计算机而言并不在乎体积大小，因为它的诞生必定是先用来解决科学问题的，所以对于计算核心体积过大并不敏感，就像现在的超级电子计算机一样呢，一台就占了一个庞大的机房，而量子计算机比它快得多，但却更小，所以这样的条件下，CPU无需再用硅基芯片光刻。

但未来量子计算机小型化，那么必定要考虑量子计算单元集成到硅基片上的情况，此时光刻机就少不了了，当然对于量子计算机的计算水准而言，它不需要现在那么高的几纳米的需求，因为到了量子CPU时代，集成几百个逻辑运算量子比特，已经是能把宇宙算完了！

不过我们相信保持量子比特和读取这些信息，仍然需要传统的电路来实现，所以从这个意义上来看，光刻机还是绕不过去的坎，只是光刻机的水平可能不再是约束性能的唯一途径。

另外外围电路的很多芯片是无法用量子芯片代替的，在那些芯片上光刻机也省不了！