硅光子芯片的案例
適合中國的新賽道——硅光子！
硅光子和光電收發模塊有什么關系？
一個光電模組包含光接收器、放大器、調變器等許多組件，過去這些組件都是個別、零散地放在PCB板上，但為了提升功耗、增加信號傳輸速度，這些組件改成全整合到單一硅芯片上。
在硅平臺上的光電信號轉換，都能算在硅光子技術范疇，過程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會以硅光子發展至今的每個階段，作為分享的主軸。
集成電路下一步集成“光”路：硅光子三部曲
硅光子第一階段：從傳統插拔式模塊升級
硅光子已默默耕耘20多年，傳統的硅光子插拔式外型非常像USB接口，外接兩條光纖，分別傳輸進去和出去的光; 但插拔式模塊的電信號進入交換器前，必須走一大段路（如下圖 b），在高速運算損失又多（大），所以為了減少電損失，硅光元件改到接近服務器交換器外圍的位置，縮短電流通的距離，而原本的插拔式模組只剩下光纖。
而上述這個作法，正是目前業界積極發展的「共封裝光學模組」（CPO，Co-Packaged Optics）技術。主要是將電子集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）共同裝配在同一個載板，形成芯片和模組的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發模組，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 芯片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及信號延遲。
據了解，這項技術能降低成本，數據量傳輸提升8倍，提供30倍以上的算力并節省50%功耗。但目前芯片組的整合仍處于現在進行式，如何精進CPO技術，成為硅光子發展的下一個重要步驟。
解決 CPO 瓶頸然后呢？硅光子第二階段：解決CPU/GPU 對傳問題
目前硅光子主要在解決插拔式模塊的信號延遲之挑戰，隨著技術發展，下一階段將會是解決CPU和GPU傳輸的電信號問題。
展開 寫在硅光技術爆發前夜
隨著摩爾定律逐漸變緩，硅光技術是延續摩爾定律的發展方向之一。
當格芯推出硅光代工平臺，誓要成為領先硅光子代工廠；長電科技預測硅光封裝成為未來趨勢之時，這項早在上世紀提出的技術，正悄悄改變著半導體行業。
云時代帶來的海量數據、逼近極限需要解決的節點間隙，這些可以通過光子解決的問題，正一步一步推動著硅光子前行。
硅光技術正在爆發前夜。
硅光子已成為未來趨勢
早在上個世紀90年代，IT從業者就開始為傳統半導體產業尋找繼任者，光子技術一度被認為是最有希望的技術。
硅光是以硅光子學為基礎的低成本、高速的光通信技術，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現光子器件的集成制備，融合了CMOS技術的超大規模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率、超低功耗的優勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到一個獨立微芯片中，實現高集成度、低成本、高速光傳輸。
硅光技術的發展可以分為三個階段。第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達到工藝的標準化；第二，集成技術從耦合集成向單片集成演進，實現部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片；第三，光電一體技術融合，實現光電全集成化。把光和電都集成起來，實現更加復雜的功能。
目前硅光技術已經發展到了第二個階段。
在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復雜程度上相似，但光子芯片對結構的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當前芯片發展的瓶頸問題。
展開 Lumerical系列| 一種高效多模耦合/（解）復用的新方案
本期文章將介紹一種通過引入硅平面光波電路（PLC）作為中間體來實現高效多模耦合的新方案。其核心思想是通過利用石英光波導操縱LP模式的優勢來耦合和解復用高階模式，解復用后的模式以單模方式與硅光子芯片對接耦合，從而可直接完成進一步的數據發送/接收/路由。
引言
要實現片上高效多模耦合器，如在一個少模光纖（FMF）中同時發射六個模式信道（LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y），目前是一個很大的挑戰，其主要障礙在于FMF和亞微米級硅光波導之間的巨大模式失配。本期文章將介紹一種新型硅光芯片和FMF之間實現高效多模耦合的方案[1]，該方案通過引入PLC作為中間體來實現，FMF中的每個模式信道被有效地耦合/解復用為硅光波導中的相應TE0或TM0模式，所述硅光子波導可以與芯片上的任何其他光子器件連接，諸如波長濾波器、光調制器或光電探測器，以實現光發射器/接收器。提出的多模耦合概念對下一代MDM系統的發展具有很大的前景。
工作原理
該方案包括一個使用多模波導段（MWSs）的端面耦合器，一個三通道雙偏振PLC模式（解）復用器，雙電平多核雙偏振模斑轉換器（SSC）和PBS，其示意圖如圖1所示。從FMF發射的LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y模式經由MWSs有效地對接耦合到多模二氧化硅光波導。然后，基于PLC的偏振不敏感模式（解）復用器被用于將這三個導模解復用為三個單模石英光波導中支持的LP01-x/y模式。然后，這些LP01-x/y模式通過SSC對接耦合到相應硅光子波導中的TE0/TM0模式。最后，在硅片上用三個PBSs分離TE0/TM0模式。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
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Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
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Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
Ansys宣布與GlobalFoundries（GF）合作，交付獨特且功能豐富的創新型解決方案，以解決當前數據中心面臨的一些巨大挑戰。
隨著數據以前所未有的速度生成，全球各地數據中心的功耗也隨之激增，這導致人們更迫切地需要既能加快數據傳輸，同時又能優化能效的創新型解決方案。為滿足這種不斷增長的需求，GF著力開發突破性的半導體解決方案，利用光子而非電子的優勢來傳輸和移動數據，有助于GF在快速發展的光網絡領域保持領先地位。
GF Fotonix是GF在多方面均取得突破性進展的新一代單片平臺，在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一硅晶圓上，實現了規模化的超高性能。
展開 【Lumerical系列】一種高效多模耦合/（解）復用的新方案
</p><p class="ql-align-center">（a）結構示意圖；（b）LP11b入射的光場圖；（c）LP01入射的光場圖</p><p><br></p><p><strong>偏振不敏感\硅基模斑轉換器</strong></p><p>為了實現石英光波導中的導模與硅光子波導中的TE0/TM0模之間的有效耦合，提出了一種雙能級多芯偏振不敏感SSC，如圖6所示。首先將條形硅光子波導演化為具有絕熱錐度的三芯波導，然后將三芯波導的三個芯逐漸分離，以實現與硅光波導中模式的最大空間重疊。特別地，在SSC的每個芯的端部處引入角度蝕刻的雙層錐形，這有效地削弱了垂直方向上的模式限制，大大提高了TE0和TM0模式的耦合效率。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/5cf05b640d6d4bafac182d3144074061"></p><p class="ql-align-center">圖6 SSC結構示意圖</p><p><br></p><p><strong>總結與展望</strong></p><p>該多模耦合方案為實現有效的模式耦合/解復用以連接FMF和硅光子芯片提供了一種有希望的選擇。為了在MDM系統中進一步采用，可以引入MIMO DSP方法以降低由于傳輸中的模間串擾而引起的負面影響。另外，該方案綜合了石英光波導對LP模式的控制以及硅光波導對偏振處理的優點，為雙偏振多模信道的光纖-芯片耦合提供了一種有效的解決方案。通過引入具有更多模式信道的PLC模式（解）復用器，可以按比例增加模式信道數量。因此，所提出的具有模式（解）復用/耦合的光子芯片為MDM系統所期望的芯片-FMF連接提供了有希望的選擇。預計它還將擴展到基于其他材料（如鈮酸鋰、氮化硅和硫屬化物）的光子芯片。
展開 偏振分集光柵耦合器實現光纖與芯片的高效互聯
在光通信、數據中心和人工智能等領域，硅光子技術憑借其高集成度、低成本和CMOS工藝兼容性，正成為下一代光互聯的核心驅動力。然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術難點——尤其是如何在實現高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項發表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強的雙層二維光柵耦合器 ，為硅光子器件的規模化應用提供了新思路。本文將從技術背景、設計原理、實驗結果展開解析。
光纖-芯片耦合的挑戰與機遇
硅光子技術的核心優勢在于其高折射率對比度，可實現超緊湊的光學器件。然而，光纖（模式直徑約10 μm）與硅波導（亞微米尺寸）之間的模式尺寸差異巨大，導致耦合效率低下。
傳統解決方案的局限：
邊緣耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且難以規模化；一維光柵耦合器：雖支持晶圓級測試，但僅對特定偏振光高效，實際應用中光的偏振態復雜多變，導致性能波動；二維光柵耦合器：理論上可實現偏振分集（將任意偏振光分解為兩個正交模式），但效率受限于工藝—主流 220 nm SOI 平臺與 193 nm 光刻技術下，如何平衡結構復雜度與耦合效率成為關鍵。
此前研究 雖通過加厚硅層或復雜納米結構提升效率，但特征尺寸或工藝兼容性不足。而本篇文章通過雙層級介質結構（70 nm淺刻蝕孔陣列+160 nm多晶硅齒陣列）激發多極輻射模式，在保證工藝兼容性的同時顯著提升方向性與耦合效率，為硅光子芯片的商用化鋪平道路。
圖1 完全垂直二維光柵耦合器示意圖
多極輻射模式與雙層級設計
1.多極輻射模式：從電偶極子到磁四極子
光柵耦合器的效率取決于其將光能定向輻射至光纖的能力，即“方向性”。傳統設計主要依賴電偶極子輻射，但方向性有限。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
展開 你不一定知道的格芯！
該工藝不僅可以滿足 O 波段的硅光子學需求，還可以滿足 C 和 L 波段的需求。90WG 用完了他們的 Fab 9，45CLO 用完了更大的 Fab 10。45CLO 工藝也是絕緣體上的硅技術。
GlobalFoundries 45CLO 工藝在兩個方面不同于其他代工廠光子 IC 工藝。它是唯一能夠實現C波段、L波段和O波段的代工工藝。此外，他們可以在單個芯片上集成有源和無源組件。線性驅動器、轉接驅動器和 TIA 現在可以與光檢測器和調制器等光學組件位于同一芯片上。
GlobalFoudries 擁有公共 EDA 供應商支持的各種元素，例如各種調制器、由硅或氮化硅制成的波導、偏振分束器和旋轉器、無源光纖連接、直接激光連接以及銅柱和接收器焊盤。這些標準化的工具和模塊將使許多無晶圓廠公司能夠輕松設計和構建硅光子芯片，以滿足不斷變化的市場需求。
GlobalFoundries 認識到，使用電子生產芯片與使用光子生產芯片是完全不同的技能組合。必須對開發實踐進行徹底的重組和改變。他們完全接受這種變化，而該領域的其他人則將注意力分散在許多方向上。這種獨特的專注使 GlobalFoundries 成為新興前沿應用程序的領跑者。
GlobalFoundries 選擇利用他們在硅方面的專業知識，而不是試圖將整個行業完全轉移到更奇特的材料上。硅是一種間接帶隙材料，在許多光子學應用中沒有與磷化銦相同的特性。用于光子學的硅基解決方案存在許多負面影響，例如激光器、調制器和放大器。使用硅的好處遠遠超過負面影響。
展開 硅光子技術應用的分析
硅光子技術應用的分析
調查公司Global Information發布的數據顯示，2011年有源光纜(AOC)的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。并且還預測，2016年的銷量將達到78.6萬根，銷售額將擴大到1.75億美元。之所所硅光子在AOC光收發器領域取得很好的成績，是因為可以通過量產大幅降低成本，而此前的AOC采用的是基于化合物半導體的分立元件，價格相對比較高。
傳統光通信模塊是將三五族半導體芯片、高速電路硅芯片、無源光器件及光纖封裝而成，其中的成本主要來自三五族半導體芯片及系統封裝。雖然其傳輸速度可達40Gbit/s以上，但是比起使用電纜傳輸而言，價格卻昂貴得多，因此近年來，高速硅光電組件變成一項相當炙手可熱的題材，主要研究目的就是希望借由芯片量產技術降低芯片生產成本、提升良率，另一方面，可以縮小硅光電、光學組件的尺寸，進一步和后端電路整合在一起，以降低封裝成本。
總體而言，采用硅光子技術的最大特點就是成本低、速度快。當然，硅光子若進一步發展還存在兩大難題。一是，使光元件和光收發器大幅實現小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進一步實現大容量化的王牌——密集波分復用(DWDM)技術的利用。
如今的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作有源器件。不過，結合發光的鍺和硅等技術的話，就有可能實現硅基光子晶體。
另一方面，高速硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術早在15年前就已普遍用于長距離通信用設備等，但用于硅光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發出的光的波長以及通過波導的光的波長因溫度變化存在巨大偏差。將長距離通信設備使用的溫度控制功能用于硅光子技術的成本過高，不現實。
展開 硅光子技術原理介紹
硅光子技術原理介紹
硅光子技術即在硅晶圓上實現光傳輸，用激光束代替電子信號傳輸數據，是一種基于硅光子學的低成本、高速率的光通信技術。硅光子技術的實用化和研發的推進改速度都超過了預期，其中，進展尤為快速的當屬日本。
光子學使用的材料是玻璃，光器件是基于玻璃上制作的，這與硅有所不同。由于光的波長對硅而言是透明的，如果信息完全基于硅的基礎上的話，就不能做光接收器，這是硅材料的本質不足，尤其是光源方面，所以硅材料不適合做激光器。但是硅光子技術的應用范圍可以從電路板間的數據傳輸擴大到芯片內的傳輸，并且未來硅光子技術的應用范圍有望擴大到芯片間和芯片內的傳輸，預計這方面的應用將在2020年左右實現實用化。
有專家表示，硅光子技術是一個原理性的技術，人們可以透過這個窗口看到以前沒有看到過的東西。如果作為獨立元件的話，它的優勢在于獨立波長，這不像其他傳統的激光器，傳統的激光器會產生紅光、綠光，而基于硅光子的獨立元件能產生傳統激光器產生不了的光。
來源：中國電力電子產業網
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硅光子學的“最后一米”難題
其實不必如此，內存可不與服務器芯片放在一起，而是單獨放在一個機架上，甚至放在不同的機架上。人們認為機柜架構（RSA）能夠更有效地使用計算機資源，使硬件管理和更換的任務得到簡化，尤其適用于臉書這樣的大型社交媒體公司，在這類公司中，特殊應用所需的計算量和內存會隨著時間的推移不斷增長。
為何這一架構可幫助光子技術取得突破呢？因為新一代高效、廉價、速度可達每秒太比特的光開關技術剛好可以實現那種動態資源配置和可重構性。
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這種數據中心重建方式的主要障礙是器件的價格以及生產成本。硅光子技術已經具備一項成本優勢，即可利用現成的芯片生產線，利用硅的龐大基礎設施及可靠性。但硅與光的結合并非完美：硅發射光的效率低，硅的光損耗也很嚴重。通過對光輸入和輸出進行測量，一個標準的硅光子收發器至少會產生10分貝（90%）的光損耗。但這種低效率并不影響TOR交換機之間的短距離連接，因為至少在目前，硅潛在的低成本優勢勝過了存在的問題。
硅光模塊的一項主要成本源自不起眼卻又十分重要的光連接器。光連接不僅包括光纖與接送裝置芯片之間的連接，還包括光纖之間的連接。每年必須生產數億個極高精度的光纖連接器才能滿足需求。具體精度有多高呢？用于光連接器的單模硅玻璃纖維直徑為125微米，略大于一根頭發的直徑。而連接器中這種單模光纖必須達到的精確度是100納米，僅為一根頭發直徑的1/1000，否則信號就會被大大削弱。光纖之間以及光纖與收發器之間光連接器的生產方式仍需進一步創新，以滿足客戶對精確度與低成本的需求。但是，幾乎沒有生產技術能夠滿足這種物美價廉的需求。
降低成本的方式之一當然是降低光學模塊中芯片的價格。生產芯片的方法有許多種，一種稱為硅片集成（wafer-scale lntegration）的技術有助于降低成本。
展開 光學及硅光子仿真推動汽車行業的技術發展
業內已經采用固態技術作為應對這些挑戰的第一步，但越來越多的長期解決方案傾向于使用硅光子技術和共封裝光學。其中一個例子是英特爾旗下自動駕駛子公司Mobileye，該公司將使用光子集成電路（PIC, photonic integrated circuits）為新一代激光雷達傳感器提供動力，并預計在2025年之前將這些傳感器部署完成。其他激光雷達公司如果還沒有采取這樣的措施，預計也很快就會開始行動。
行業逐漸意識到，對激光雷達的定位即將從“前景和可能性”轉向“全面生產和部署”，但仍然存在一些技術挑戰需要克服，仿真是了解這些挑戰并尋找其解決方案的關鍵。最近，我與TKL Engineering的Thomas Kümpfel以及Ansys Optics的產品負責人Julien Muller和James Pond共同主持了一個圓桌會議。在此期間，我們討論了汽車行業近期的創新技術以及仿真在推動這些創新技術方面發揮的作用。激光雷達系統的微型化是幾個熱門話題之一，同時我們一致認為，從PIC級到系統級為這些系統建模的能力對于工程師創建魯棒性和可擴展設計至關重要。如今我們已得益于此類仿真功能，這也是整個汽車行業對自動駕駛汽車的未來持樂觀態度的眾多原因之一。
隨著我們逐步邁向完全自動駕駛，“互聯性”是其關鍵要素之一，即道路上的每輛汽車都需要了解其他車輛的情況。這種實時通信網絡將需要構建云端高帶寬基礎架構，而這些需要高性能數據中心為其提供支持。因此，即使對于新興的自動駕駛技術，集成光子學和CPO在數據中心的作用也是至關重要的。
我們正處于光學行業高速發展時期，重大變革可能將發生，以推動包括汽車在內的各類市場的新一代技術進步。
展開 化學所李明珠研究員課題組和北航程群峰教授課題組合作Angew：仿生可變色的光子晶體硅彈性體剪紙藝術
近期，
中國科學院化學研究所李明珠研究員課題組和
北京航空航天大學程群峰教授課題組合作，受蜂鳥羽毛色彩調控機制的啟發，制備了一種
柔性、機械致動、具有光子晶體涂層的彩色PhC-PDMS kirigami薄膜，能夠實現全光譜色彩的精確控制，并且可實現10000次以上的循環。研究團隊利用激光切割技術將一種非對稱的陣列結構設計賦予到PDMS載體上，然后在PDMS上構筑了由單分散小球密堆積形成的二維光子晶體薄膜，得到了PhC-PDMS kirigami。由單分散聚合物小球組裝而成的二維光子晶體的光子晶體帶隙為贗帶隙，具有很強的角度依賴性。在單軸拉伸應力的作用下，剪紙結構中的矩形鱗片會隨著拉伸強度的增強從平面薄膜中翹起，剪紙結構從二維平面結構轉化為三維立體結構，同時薄膜鱗片的顏色從紅色轉變為藍色；當應力釋放時，薄膜可恢復為初始紅色。
圖2. PhC-PDMS kirigami的制備過程
當拉伸PhC-PDMS kirigami時，PhC矩形鱗片彈出角度與單軸拉伸載荷相關，僅需要27%拉伸量，彈出角度即可實現0°~ 46°的變化，當固定光源與觀測角度時，PhC矩形鱗片的顏色與彈出角度一一對應，從而薄膜色彩能夠在全可見光譜范圍內精確調控。由于在整個變色過程中，只是宏觀剪紙結構的變化，PhC矩形鱗片表面的納米周期結構并沒有改變，因此經過10000次循環，PhC矩形鱗片色彩仍然與初始狀態一致，并且能夠精確調控獲得目標顏色。
圖3.
展開 具有量子速度的新型硅芯片
富士通宣稱其數字退火機
將超越當今的商用量子計算機
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富士通設計了一種采用硅材料的新型計算機結構，稱為數字退火機。該公司聲稱它的功效可以匹敵量子計算機。5月份，富士通開始在日本提供云服務，利用該技術解決優化組合問題，例如尋找分子模式的相似性，加速藥物研發。
這項服務出現之時，量子計算機領域的活動正不斷興起。據行業新聞報道，總部位于加拿大英屬哥倫比亞省博納比市的D-Wave 系統公司正在出售最新的2000Q量子退火計算機，并爭取在未來2年內推出5000量子位（qubits）模型。量子退火是一種數學工具，相比傳統計算，其在執行復雜優化任務時，可以在更多可能解中找到一個優解 。
與此同時，一些公司和研究機構正在創造“通用”量子計算機，它們使用量子門來處理量子位，可以運行比量子退火機更復雜的算法。然而由于這些通用計算機的設計和對超導環境高度控制的要求，目前這些機器實際上能夠支持的量子位數量很少，一般僅為50個量子位，比D-Wave的2000個量子位少得多。
IBM和微軟公司正在采用量子門方法，谷歌也在研究量子門和量子退火系統。2016年，IBM為研究人員在線提供5量子位的超導量子計算機。此后，IBM陸續提供了16量子位和現在的20量子位的機器。在2018年的消費電子產品展（CES）上，英特爾推出了一款名為Tangle Lake的49量子位超導量子測試芯片。
盡管這些方法都有潛力實現前所未有的計算能力，但量子計算機開銷很大并且價格昂貴。它們必須保持接近絕對零度的溫度，并避免電磁干擾、熱噪聲和機械振動的影響，保持量子位處于疊加狀態（保持0和1的雙狀態的能力），這是構成量子計算的基礎。
富士通與多倫多大學合作開發了數字退火機，可替代類似D-Wave的量子退火計算機。
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