【收錄專題 |「半導(dǎo)體芯片」中國芯片技術(shù)_芯片設(shè)計(jì)/制造公司企業(yè)廠商】

　　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、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、存儲及處理信息時(shí)，信息的編碼、存儲和讀取都是利用量子疊加和量子糾纏來實(shí)現(xiàn)的。因此，在量子芯片上實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算可以通過制備一對或多個(gè)處于糾纏態(tài)的量子比特來實(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)誤可能會導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算過程的失敗，而在量子芯片上，一個(gè)比特的錯(cuò)誤只會影響該比特所存儲的信息，不會對計(jì)算過程產(chǎn)生太大影響。

　　最后，在具備諸多優(yōu)勢的同時(shí)，量子芯片的制造并不復(fù)雜。本源量子公司量子芯片中心總監(jiān)賈志龍向《中國電子報(bào)》記者表示，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，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。

　　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較低，且與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)有天然的銜接。

　　英特爾是硅基量子比特芯片的主要玩家之一，其技術(shù)發(fā)展主要集中在硅自旋量子比特上。據(jù)了解，英特爾在2023年6月發(fā)布了全新的量子芯片Tunnel Falls，這款芯片包含了12個(gè)硅自旋量子比特，在300毫米的硅晶圓上生產(chǎn)制造，每塊晶圓上能夠?qū)崿F(xiàn)超過24000個(gè)量子點(diǎn)，從而形成可被相互隔離或同時(shí)操控的4到12個(gè)量子比特。業(yè)內(nèi)專家告訴《中國電子報(bào)》記者，英特爾的量子芯片技術(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，并通過提高比特的操控溫度，從MK提升到K級，使得量子芯片的集成化加工更近一步。

英特爾量子芯片Tunnel Falls(圖片來源：英特爾)

　　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是超導(dǎo)量子比特芯片的主要研發(fā)企業(yè)之一，其開發(fā)的超導(dǎo)量子芯片比特?cái)?shù)量已進(jìn)入百位時(shí)代。在2021年，IBM推出了創(chuàng)紀(jì)錄的擁有127個(gè)量子比特的芯片;而在2022年11月，IBM又推出了433量子比特的Osprey處理器。據(jù)了解，該公司的下一個(gè)目標(biāo)是在2023年發(fā)布有1121量子比特的處理器，名為Condor。

IBM量子芯片規(guī)劃圖(圖片來源：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)境干擾對量子比特的影響會降到最低。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。

　　賈志龍告訴《中國電子報(bào)》記者，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珀對，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)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵?！澳壳埃孔有酒荒茉谝恍┨厥獾念I(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)?！睒I(yè)內(nèi)專家說。

　　作者：沈叢　　來源：中國電子報(bào)、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)