“墨子”升空
创造量子卫星历史
2016年,我国“墨子号”量子实验卫星发射成功,作为全球首创之举,为我国量子研究,迈出了一大步。不知不觉间,“墨子号”已经傲游太空6年。在这6年时间内,在中国科技技术大学潘建伟院士的带领下,通过实验自我突破迭代,将远距离量子态传输距离不断刷新,创造了一个个历史:比如“墨子号”量子卫星,首次实现地面上1200公里距离的两地数据传输,总公里数超过4600公里的实验成果。
量子通信基于量子物理学的基本原理,克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。量子通信通常采用单光子作为物理载体,最为直接的传输方式是光纤或者近地面自由空间信道。但是,这两种信道的损耗都会随着距离的增加而指数式增加,近地大气信道还会受到地球曲率的影响。
由于量子不可克隆原理,量子通信的信号不能像经典通信那样被放大,这使得之前量子通信的世界纪录只有百公里量级。因此,如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。
由于外太空几乎真空,对于光信号的吸收损耗几乎为零,因此通过卫星的辅助可以极大扩展量子通信距离。本世纪初以来,该方向已成为国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年,该团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案,随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发,验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。
墨子号”量子卫星项目的成功实施,进一步激发了全球关于空间量子实验的竞赛。2017年,美国宇航局发布了关于未来空间量子物理发展方面的白皮书。同期欧洲航天局也发布了空间量子技术的白皮书。在“墨子号”成功发射之后,世界各大强国纷纷开始了自己的量子卫星研发,推出了基于低轨道小型化量子卫星的计划和时间表。
中国量子:不输他人
2016年,发射“墨子号”量子卫星成功;2020年,发布构建76光子量子计算机原型“九章”。至此,我国成为世界上唯一一个在两个技术路线上实现“量子计算优越性”的国家。同时,我国已完成光量子、超冷原子、超导、硅基、离子阱、金刚石色心等所有重要量子计算体系的研究布局。上述,量子技术的布局,都让我国齐身与全球量子科技的强国。
就在不久前的7月22日,浙江大学发布“天目1号”超导量子芯片系列应用成果,依托量子计算创新工坊自研的“天目1号”超导量子芯片,浙江大学物理学院王震、王浩华研究组与清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组等合作,在超导量子芯片上首次采用全数字化量子模拟方式展示了一种全新的物质—拓扑时间晶体,解开了世界科学家都高度关注的科学问题。
世界首颗量子微纳卫星顺利入轨
From中国
7月27日,世界首颗量子微纳卫星—低轨道量子密钥分发试验卫星在酒泉卫星发射中心搭载力箭一号运载火箭成功发射。该卫星的科学目标是在世界上首次实现基于微纳卫星和小型化地面站之间的实时星地量子密钥分发,为构建低成本、实用化的天地一体化广域量子保密通信网络奠定基础。
量子保密通信基于量子力学基本原理,提供了目前唯一原理上无条件安全的通信方式。面向日益增多的用户需求,在“墨子号”所奠定的技术基础上,发射多颗低成本量子卫星实现组网运行,是构建高效率、实用化、全球化量子通信网络的必经之路。
此次发射的量子微纳卫星由合肥国家实验室、中国科学技术大学、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院上海微小卫星创新研究院、济南量子技术研究院等联合研制。研究团队成功攻关低成本小型化量子密钥分发技术、实时密钥提取技术等关键技术,完成星载量子密钥分发终端、微纳卫星平台研制,将量子微纳卫星的重量降低到“墨子号”的约1/6、光源频率提升约6倍、密钥生成时效性提高2—3个数量级,配合小型化地面站系统,可完成实时星地量子密钥分发实验,并开展技术验证及应用推广。
量子微纳卫星的成功发射和在轨运行,将有助于我国保持和扩大在空间量子通信领域的国际领先地位,助力实现国家信息安全和信息技术水平的跨越式提升。
终将被量子取代的传统计算机
过去的2021年,是量子计算界备受瞩目的一年。从行业上来说,量子计算的潜在应用主要包括供应链、金融、交通、物流、制药、化工、汽车、航空、能源、气象等领域。而量子计算是一种遵循量子力学规律,进行高速运算、存储、处理信息的新型计算。与传统计算机相比,量子计算机具有天然的量子并行计算能力,存储能力强,运算速度快,将给现有计算能力带来质的飞跃。
量子计算机能够解决问题的规模在很大程度上取决于量子比特的数量。2021年以来,主要研究团队都实现了突破,中性原子公司ColdQuanta和AtomComputing推出了100+量子比特量子计算机,哈佛-MIT开发了256量子比特基于中性原子的量子模拟器。而中国的66量子比特“祖冲之号”实现量子计算优越性,计算复杂度比谷歌“悬铃木”提高了6个数量级;Rigetti则提出了模块化的量子处理器架构,预计在几个月内推出80量子比特处理器;IBM推出了127个量子比特的处理器Eagle.离子阱方面,IonQ提出可重构多核量子架构,已扩展到64量子比特。
从行业上来说,量子计算的潜在应用主要包括供应链、金融、交通、物流、制药、化工、汽车、航空、能源、气象等领域。而制药、化工、新材料:量子计算可模拟分子特性,有望通过计算机数字形式直接帮助研究人员获得大型分子性状,缩短理论验证时间,极大地推动制药行业药品研发和开发新型材料。
计算机的关键—芯片
无论是普通计算机还是量子计算机,总离不开一个关键部分:芯片;如今芯片也是越做越小,越做越精密~甚至已经达到了“微型”的范畴~最近的一项实验,大大提高了这些微型芯片的光学度:从镜子上的微小缺陷,到大气中污染物的扩散,再到宇宙深处的引力图样,通过合并两个或多个光源,干涉仪产生的干涉图样可以提供其照射的一切事物的详细信息。
近日,Cardenas实验室发明了一种方法,使这些光学机器更加有用和灵敏。博士生宋美廷(音译)首次在1毫米乘1毫米的集成光子芯片上封装了一种实验方法,可以在不增加无关的、不必要的输入或“噪声”的情况下放大干涉信号。他们以一种新颖的方式将模态分析应用于具有弱值放大的自由空间干涉仪上,弥补了自由空间与波导弱值放大之间的差距,因此能够证明在光子芯片上集成弱值放大的理论可行性。
与传统的干涉仪不同,新装置没有使用一组倾斜的镜子来弯曲光线并产生干涉图样,而是使用了一个设计好的波导来传播光场的波前穿过芯片。Cardenas说,这是这篇论文的新颖之处之一。在传统干涉仪中,只要简单地提高激光功率,就可以提高信噪比,从而产生更有意义的输入。但这实际上是有限制的,因为传统的干涉仪探测器只能处理有限的激光功率,在达到饱和之前,信号噪声比不能提高。下一步他们将把该设备用于相干通信和使用压缩或纠缠光子的量子应用,使量子陀螺仪等设备成为可能。
关于芯片焊接
芯片的焊接是指半导体芯片与载体(封装壳体或基片)形成牢固的、传导性或绝缘性连接的技巧。焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外,还须为器件提供良好的散热通道。但是,因芯片焊接(粘贴)不良造成的失效也越来越引起了人们的重视,因为这种失效往往是致命的,不可逆的。而在各种失效情况下,有多种基于环境所造成的问题,是最不容忽视的。
—芯片背面氧化
器件生产过程中,焊接前往往先在芯片背面蒸金。在Au-Si共晶温度下,Si会穿透金层而氧化生成SiO2,这层SiO2会使焊接浸润不均匀,导致焊接强度下降。即便在室温下,硅原子也会通过晶粒间的互扩散缓慢移动到金层表面。
因此,在焊接时保护气体N2必须保证足够的流量,最好加入部分H2进行还原。芯片的保存也应引起足够的重视,不仅要关注环境的温湿度,还应考虑到其将来的可焊性,对于长期不用的芯片应放置在氮气柜中保存。
—基片清洁度差
基片被沾污、有部分油渍或氧化会严重影响焊接面的浸润性。这种沾污在焊接过程中是较简单观察到的,这时必须对基片进行再处理。要解决芯片微焊接不良问题,必须明白不同技巧的机理,逐一分析各种失效模式,及时发现影响焊接(粘贴)质量的不利因素,同时严格生产过程中的检验,加强制造环境管理,才能有效地避免因芯片焊接不良对器件可靠性造成的潜在危害。
所以在芯片制造的过程中
如果能配合手套箱进行生产环境保护
就能有效的避免这些问题
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