IBM推出全新量子处理器、软件和算法突破

大规模制造量子计算机意味着要像对待最先进的硬件一样对待量子芯片。这意味着要按照最高质量标准来制造它们——类似于我们制造用于生产规模经典计算机芯片的标准。

今天，IBM宣布，IBM Quantum Loon和IBM Quantum Nighthawk，以及IBM量子技术发展路线图上的所有未来芯片，均在纽约CREATES的奥尔巴尼纳米科技中心采用最先进的300毫米半导体晶圆技术制造。奥尔巴尼纳米科技中心是世界上最先进的半导体制造厂之一，此前，IBM量子芯片制造工艺的细节一直处于保密状态。但现在，团队迫不及待地想要展示这项技术，分享他们如何成功完成该项目，并阐述他们对未来的愿景。

这个故事不仅仅关乎在大尺寸晶圆上加工量子芯片，更关乎如何运用最顶尖的人才、设备和工艺来实现量子计算。IBM量子芯片在奥尔巴尼纳米技术中心的制造，以及奥尔巴尼和位于约克镇的IBM托马斯·J·沃森研究中心的半导体专家和物理学家之间的紧密协作，是IBM量子计算取得成功的关键。

位于纽约州奥尔巴尼市奥尔巴尼纳米技术中心的300毫米洁净室（来源：IBM）

IBM量子制造技术与基础设施杰出工程师克里斯蒂·泰伯格表示：“如果我们当初没有在奥尔巴尼开始使用300毫米技术加工芯片，我们就无法取得实现我们开发路线图所需的成功。”

芯片制造——量子或经典

IBM量子计算机的核心处理器与传统计算机芯片的制造方式相同：均由硅晶圆制成。半导体制造过程始于将长圆柱形硅片切割成薄片。工程师和物理学家使用计算机软件设计电路。然后，通过一系列工艺步骤，自动化机器对晶圆进行蚀刻、沉积新金属和处理。最终在圆片表面形成矩形网格状的计算机芯片。

IBM 研究人员手持 300 毫米 IBM Quantum Loon 晶圆（来源：IBM）

对于量子芯片，我们会制造多种类型的晶圆，然后在约克镇完成额外的定制加工步骤。最后，我们将多个芯片层叠连接成三维堆叠结构，并将其连接到控制电子设备。

无论是量子芯片还是经典芯片，都需要极其精密的制造工艺和洁净室环境。考虑到经典计算机晶体管的微观尺寸和量子比特的超高灵敏度，任何颗粒或缺陷都可能影响其性能。

晶圆尺寸意味着什么？简单来说，晶圆的宽度决定了其最终可制造的芯片数量。20世纪以来，晶圆尺寸逐步增大，90年代初出现了200毫米晶圆（约8英寸）。小型半导体晶圆厂通常加工200毫米或更小的晶圆。然而，世纪之交出现了300毫米晶圆（约12英寸）。

每种技术都配备不同的工具。300mm 工艺采用最先进的工具和工艺，能够更快地制造更多芯片。而 200mm 工艺则更便于进行实践操作和定制研发。

FOUP（前开式统一舱）——装有 300 毫米晶圆，装载到洁净室中的 300 毫米加工工具上（来源：IBM）泰伯格于2000年加入IBM，最初从事半导体研究，特别是低κ介电材料，随后参与了3D芯片堆叠技术的工艺开发，旨在延续摩尔定律。直到2016年，她才被问及是否愿意转行从事量子计算。她当时觉得量子计算还很遥远——IBM才刚刚开始将小型实验系统部署到云端。但她觉得这个项目听起来很令人兴奋，于是加入了团队。

泰伯格从基础知识入手，学习量子计算的概念以及她自身的半导体经验如何能够推动这项技术的发展。如今，她专注于开发能够实现量子计算最终目标的流程，即打造一个全面投入生产的量子计算系统。

首批芯片是在位于约克镇高地的IBM研究院的200毫米研究级制造实验室中制造的，需要专门的工具和工艺。制造量子芯片晶圆是一项定制化的工作，建造新工具、进行工艺处理、故障排除和解决问题都需要很长时间。加工工作每周进行5天，分两班倒。

2021年，泰伯格和现任IBM研究院院长杰伊·甘贝塔探讨了如何利用他们现有的全天候300毫米晶圆厂将量子计算作为一项生产技术。对于近期量子计算而言，理想的工艺流程是能够利用最先进的300毫米晶圆厂技术实现部分自动化，同时仍然依赖200毫米晶圆厂来完成定制或特别复杂的工艺步骤。

量子技术前往奥尔巴尼

奥尔巴尼纳米科技园区是一个独特的公私合作项目，始于2002年，当时IBM、东京电子和纽约州政府携手在纽约州立大学校园内建造了全美最先进的半导体研发中心。如今，IBM仍然是该尖端设施的核心合作伙伴，在过去的二十年中，奥尔巴尼纳米科技园区已发展成为半导体领域最成功的生态系统，吸引了超过200亿美元的投资。

凭借尖端设备和数十年的专业经验，IBM奥尔巴尼研究院持续引领材料科学、纳米技术和芯片设计领域的突破性进展。这其中包括纳米片技术的研究与开发，该技术将助力IBM推出全球首款2纳米芯片。因此，奥尔巴尼研究院参与构建量子计算的未来可谓顺理成章。

“我们成为了IBM量子硬件使命和路线图的加速器，”IBM研究院负责量子工艺技术研发和半导体加速的杰出工程师兼总监Hemanth Jagannathan表示，“量子团队提出了需求，我们会理解这些需求，弄清楚涉及的工艺流程、集成方式，以及如何快速、大规模地制造设备。”

贾格纳坦于2006年加入IBM，致力于研究新型材料和工艺，以推进数字电子产品的微缩化，尤其是在高介电常数材料和金属栅极技术方面。多年来，他推动了多项创新，助力IBM先进逻辑路线图的推进。他还曾担任芯片组和先进封装技术的技术主管，为IBM的人工智能硬件路线图提供解决方案。

作为半导体材料、工艺、器件架构和封装技术领域的资深专家，贾格纳坦在2021年量子团队来到奥尔巴尼时被邀请担任该项目的负责人。他广博而深厚的知识使他成为量子项目的理想人选。他将领导一个团队，负责量子处理器晶圆的工艺开发和集成。

但量子技术与经典技术截然不同。尽管名称相似，量子比特（本质上是量子芯片的晶体管）与为经典芯片设计的2纳米节点大相径庭。它们无法采用教科书式的工艺流程。量子团队提出的要求都不同——不同的材料、不同的工具、以全新方式排列和连接的组件。

或许最大的区别在于时间。传统的半导体团队可能有几年的时间来研发和完善芯片，而IBM量子团队则发布了一份雄心勃勃的路线图，承诺每年推出尺寸和性能均可扩展的新芯片，并承诺在2029年之前推出容错量子计算机。

量子半导体联合团队需要制定量子芯片生产的规则，就像上世纪七八十年代的工程师们制定双极型晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的生产规则一样。而且，他们需要在短短几年内完成这项工作。这就需要一种全新的研发方式。

快速构建学习文化

Tyberg 和 Jagannathan 开始组建一支紧密联系的联合团队，负责在奥尔巴尼和约克镇实现量子芯片。

首先，物理学家与制造工程师合作，构思出能够满足量子计算所需规模、质量和速度的芯片设计方案。这些设计方案随后交给制造团队，由他们负责将这些想法转化为可在实际300毫米晶圆上执行和重复的工艺流程。

短期内，部分晶圆将被切割成200毫米的芯片，以便完成额外的定制工艺。晶圆随后会经过最终组装，并送入稀释制冷机，以便物理学家验证其性能。

量子技术给芯片设计和制造工程师带来了新的挑战。量子比特之间可能会发生不必要的相互作用并导致错误，因此他们需要一种能够阻断量子比特间相互作用的组件。他们需要能够通过多组导线控制多个量子比特，并且导线之间还需要相互交叉或上下交错。而对于最新的芯片，他们需要连接除最近邻量子比特之外的更远距离的量子比特，但团队需要半导体方面的帮助才能解决所有这些问题。

为了解决这些问题，不断壮大的团队开始构建一种协作高效的文化。这不再是物理学家提出需求、工艺技术人员单方面解决问题的模式。物理学家和工艺集成人员经常沟通，共同理解问题所在。为了按时完成量子计算的紧迫任务，团队夜以继日地工作。

官方揭露

IBM在半导体技术研发方面的雄厚基础以及300毫米晶圆厂的先进设施，在巩固其量子计算领域的领先地位方面发挥了关键作用。凭借300毫米晶圆厂的强大能力和产能，研究人员能够在更短的时间内探索更多种类的芯片设计。奥尔巴尼纳米技术中心全天候24小时不间断地进行晶圆加工。因此，我们能够显著缩短周期时间。这使得研究人员能够快速迭代并实施改进方案，从而实现快速的学习循环。

但成功的真正关键在于，团队在奥尔巴尼和约克镇两地建立了一套紧密耦合的流程，使他们能够充分利用最先进的300毫米技术、成熟的200毫米工艺以及两种工艺模式下的专业知识，从而按时开发出Heron、Nighthawk和Loon等芯片。在这些晶圆上复制并创新工艺步骤，制造出具有毫秒级相干时间的量子比特，这充分证明了团队合作所能取得的成就。

“IBM作为一家拥有200毫米和300毫米晶圆厂内部使用权的公司，处于非常独特的地位，”泰伯格说。“如果我们能充分利用这些能力，这将真正给我们带来优势。”

随着夜鹰和潜鸟的首批模型顺利出炉，联合团队可以举办一场庆祝活动，届时将有大量蛋糕供应，房间里摆满了与这两种鸟类相关的周边产品。笑翠鸟、凤头鹦鹉、椋鸟和蓝松鸦的模型也即将面世，这段旅程才刚刚开始。他们还将面临许多全新的挑战。但团队充满信心。

“未来几年，我们需要快速创新并不断完善这些系统。但我们所构建的每一个环节都凝聚着顶尖的人才和专业知识——不仅包括半导体领域，也包括系统开发团队——这些专家们的工作水平之高，外人恐怕难以想象，”贾格纳坦说道。“我或许有些偏颇，但我非常有信心，我们可能是全球唯一一家能够做到这一点的公司。”