作者：沈叢

隨著人工智能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)算力的需求激增，業(yè)內(nèi)亟需能滿足海量數(shù)據(jù)處理需求的全新的計(jì)算模式。

量子計(jì)算以其獨(dú)特的并行性、疊加性和糾纏性，被視為下一代海量數(shù)據(jù)處理的重要技術(shù)方向之一。其中，量子芯片作為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的核心部件，是解決海量數(shù)據(jù)處理難題的關(guān)鍵所在。

量子芯片強(qiáng)在哪里？

量子芯片究竟強(qiáng)大在何處？

據(jù)了解，量子芯片是利用量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、處理和計(jì)算，其最核心的是量子比特。相比傳統(tǒng)的比特只能存儲(chǔ)0或1兩種狀態(tài)，量子比特可以同時(shí)處于0和1這兩種狀態(tài)的疊加態(tài)，這使得量子芯片能夠?qū)崿F(xiàn)并行計(jì)算和高效的信息處理。

量子芯片不僅能提供更高效的信息處理能力，還能突破傳統(tǒng)芯片存在的技術(shù)瓶頸。

首先，在量子芯片上執(zhí)行邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理信息時(shí)，信息的編碼、存儲(chǔ)和讀取都是利用量子疊加和量子糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，在量子芯片上實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算可以通過(guò)制備一對(duì)或多個(gè)處于糾纏態(tài)的量子比特來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在傳統(tǒng)芯片上則需要復(fù)雜的電路和算法才能實(shí)現(xiàn)。

其次，量子芯片還具有更高的容錯(cuò)性和魯棒性。在傳統(tǒng)芯片上，一個(gè)比特的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算過(guò)程的失敗，而在量子芯片上，一個(gè)比特的錯(cuò)誤只會(huì)影響該比特所存儲(chǔ)的信息，不會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生太大影響。

最后，在具備諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，量子芯片的制造并不復(fù)雜。量子芯片的工藝能夠與現(xiàn)有集成電路工藝兼容，因此可以借鑒現(xiàn)有比較成熟的集成電路工藝體系，將其遷移到量子芯片工藝后再做一些改動(dòng)，便可直接進(jìn)行生產(chǎn)，能夠節(jié)省前期研發(fā)時(shí)間成本。

因此，量子芯片被視為一種具有重要潛力的芯片制造技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)所面臨的一些技術(shù)瓶頸，并且有望實(shí)現(xiàn)更高效、更強(qiáng)大的計(jì)算能力。

兩大技術(shù)分支被業(yè)界看好

據(jù)了解，硅基量子比特芯片、離子阱量子比特芯片以及超導(dǎo)量子比特芯片等是目前量子芯片的主流研究方向。其中，硅基量子比特芯片以及超導(dǎo)量子比特芯片是目前最受關(guān)注的兩大技術(shù)分支，業(yè)內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)取得了成績(jī)。

硅基量子比特芯片是利用硅材料的特殊性質(zhì)，將單個(gè)電子嵌入硅晶格中，實(shí)現(xiàn)硅基量子比特的制備。這種技術(shù)在制造上的成本相對(duì)較低，且與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)有天然的銜接。

量子芯片技術(shù)的特點(diǎn)在于利用其原本的生產(chǎn)線工藝，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成，并通過(guò)提高比特的操控溫度，從MK提升到K級(jí)，使得量子芯片的集成化加工更近一步。

超導(dǎo)量子比特芯片是量子芯片領(lǐng)域的另一個(gè)重要分支，其核心是利用超導(dǎo)材料的獨(dú)特性質(zhì)來(lái)提高量子比特的操作性能。超導(dǎo)量子芯片同樣可以看作量子芯片的一種演進(jìn)形式，通過(guò)引入超導(dǎo)技術(shù)，加強(qiáng)了量子比特的穩(wěn)定性和可控性，從而更好地適應(yīng)量子計(jì)算的需求。

IBM量子芯片規(guī)劃圖（圖片來(lái)源：IBM）

運(yùn)行環(huán)境嚴(yán)苛成主要發(fā)展瓶頸

雖然，量子芯片被視為處理海量數(shù)據(jù)的新路徑，但距離大規(guī)模應(yīng)用，依舊需要時(shí)間。

據(jù)了解，量子芯片需要在低溫環(huán)境下運(yùn)行，從而降低熱噪聲和減少環(huán)境干擾，并保持量子比特的穩(wěn)定性和相干性。量子比特在高溫下容易受到環(huán)境中的噪聲干擾，這種噪聲會(huì)破壞量子比特的疊加態(tài)，導(dǎo)致信息丟失。為了減少這種干擾，量子芯片需要在-273℃左右的極低溫度下運(yùn)行。在這個(gè)溫度下，系統(tǒng)中粒子之間的相互作用非常微弱，因此熱噪聲和環(huán)境干擾對(duì)量子比特的影響會(huì)降到最低。然而，實(shí)現(xiàn)這種低溫環(huán)境需要使用特定的設(shè)備，如稀釋式冰箱，這種設(shè)備不僅體積龐大，而且價(jià)格昂貴能耗巨大。

為保證量子芯片能夠在低溫環(huán)境下正常運(yùn)行，可以嘗試使用在低溫狀態(tài)表現(xiàn)較為突出的材料。例如，在超導(dǎo)量子比特芯片領(lǐng)域，鉭和鈮是兩種備受關(guān)注的關(guān)鍵材料。它們具有優(yōu)異的超導(dǎo)性能，常被用作超導(dǎo)線圈和超導(dǎo)磁體等超導(dǎo)器件的核心材料。同時(shí)，鉭和鈮的超導(dǎo)性能在低溫下表現(xiàn)突出。在極低的溫度下，這些材料中的電子能夠形成庫(kù)珀對(duì)，從而具有零電阻和抗磁性的特性。這一特性使得鉭和鈮在制造高性能量子芯片方面具有巨大潛力。此外，使量子芯片能夠在常態(tài)環(huán)境下運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)量子芯片規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵。業(yè)內(nèi)專家說(shuō)：“目前，量子芯片只能在一些特殊的領(lǐng)域采用，難以像手機(jī)芯片一樣供人們大規(guī)模使用。因此，尋找一種可以在常溫、常壓下運(yùn)行的量子芯片也是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。”

編輯：黃飛