现在很多人都很关心量子计算机，自然也十分关注量子处理器。前一篇文章我粗略介绍了D-Wave 2000 Q量子处理器的颠覆设计，网友们对此关注度非常高。
那么本期我接着上期内容，参照D-Wave公司发表D-Wave量子系统的量子编程白皮书，简单介绍Wave 2000 Q量子处理器生产和封装。
了解D-Wave量子系统设计都知道，量子处理器是由超导材料制造的集成电路。其实量子处理器的宏观设计思路和传统处理器的设计很相似，那么，它的生产和封装自然也不例外。虽然现在D-Wave公司量处理器制造技术已经基本成熟，但是有待提高，还没能够大规模生产量子处理器。
量子处理器的生产技术是由传统半导体集成电路的工艺上改进而来
图4展示了量子处理器单元QPU的真实放大画像，这是超导电子铸造厂生产出来的QPU晶片。可以看出，量子处理器单元QPU好像邮票一样被“压印”在硅晶片上。这种“压印”技术并不是什么凭空产生的新技术，而是由生产制造半导体集成电路的工艺上改进而来的。
图4. Rainier QPU晶圆的照片
在图4的硅晶片放大图中，可以清晰地看到几个量子处理器单元QPU。图中区域最大、最靠近底部中心的地方就有128个量子位连接在一起，而它们之间总共连接的电气元件多达352个。
图中清晰可见的交叉阴影线是每个量子处理器单元QPU上的量子比特位/耦合器电路。这个就是被称之为Rainier QPU的量子处理器单元，D-Wave One™量子计算机内部量子处理器单元就是这种QPU类型。当然，最新的D-Wave 2000 Q量子处理器依然采用同样的设计。
充分利用半导体基础生产技术可以量产量子处理器
在生产制造大规模集成电路的时候，充分利用半导体的基础技术是很重要。从几十年半导体集成电路的发展经验来看，充分利用半导体集成电路的优势足以使QPU的生产制造商业化。
借鉴半导体工业中的基础技术，足以让D-Wave像高度集成电路那样容易大规模生产制造。图5所示是量子处理器单元QPU的横截面，该横截面是超导电子铸造厂生产D-Wave的量子处理器时候所拍摄的显微镜横截面照片。图中中间层底部，集成有约瑟夫森结。
图5使用金属布线层工艺制造的D-Wave QPU的显微镜横截面
已经成熟的量子处理器制造技术
目前已经成熟开发的量子处理器制造工艺能够生产LSI（Large-Scale Integration 大规模集成化）超导电路。D-Wave 2000Q系统中2000个量子比特位使用的技术是128,000 约瑟夫森结，而该项技术就是前面所说的量子处理器的大规模集成超导电路。这是目前唯一能够生产如此复杂超导处理器的超导制造技术。
制造技术虽已成熟，但是有待提高
要想提高量子处理器的性能，必须提高该制造技术的产能。因为产量越大，量子比特位就越多，量子处理器的性能就越强大，不过这需要长期且大资金的投入。
为了让量子比特位能够像经典处理器晶体管那样翻倍递增（摩尔定律），必须在未来的五年时间内，提高超大规模集成电路中的超导电路集成度（每个量子处理器约瑟夫森结的数量超过一百万）。
和传统计算机晶片一样，从晶圆厂完成生产和切割之后，自然需要封装才可以使用。不过量子处理器封装有点不一样，量子处理器所谓的封装，就是量QPU量子处理器单元连好线路，方便放入量子计算系统运行。
为了构建量子计算机，从晶圆片中选取其中一个QPU，并将其置于QPU封装系统的中心，如图6所示。QPU是已经与量子计算机内部其他元器件相互连接好信号线，图6是一张QPU的没有封装好的照片，可以清楚地看到印刷电路板周围的信号线。
与QPU上的可编程元件相比，输入线路的数量要少得多。QPU可以通过附加电路实现 - 以多路分解器、信号路由和寻址的形式 - 所有这些都在芯片上的超导逻辑电路中实现。
图6QPU粘接到电路板后的照片，连接信号线。
量子处理器虽然是个颠覆性的设计，但是在生产技术依然是是由传统半导体集成电路的工艺上改进而来。这样很好，能够充分利用以前集成电路大规模量产的技术和经验，使得量子处理器的生产技术很快成熟。
不过，量子处理器的高度集成电路不是半导体材料，而是超导材料。这就使得量子处理器短时间实现量产并非易事。实际上，目前超导量子处理器的常量只能满足D-Wave公司以及它的客户的量子计算机的基本需求。总之，还是那句话，制造技术虽已成熟，但是有待提高，还没能达到量产的阶段。
对于量子处理器的介绍已经到了中期，本期又是很多专业术语，基本都是量子超导领域的。由于知识水平有限，很多新词都是英文原词，中文翻译不是很好，请见谅。下期我会简单介绍如何利用量子处理器搭建D-Wave量子系统，设计到磁屏蔽和内部布线、冷却等。
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