作者：沈叢

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

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

量子芯片強在哪里？

量子芯片究竟強大在何處？

據(jù)了解，量子芯片是利用量子力學原理實現(xiàn)信息的存儲、處理和計算，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實現(xiàn)并行計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)芯片存在的技術瓶頸。

首先，在量子芯片上執(zhí)行邏輯運算、存儲及處理信息時，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現(xiàn)的。因此，在量子芯片上實現(xiàn)邏輯運算可以通過制備一對或多個處于糾纏態(tài)的量子比特來實現(xiàn)，而在傳統(tǒng)芯片上則需要復雜的電路和算法才能實現(xiàn)。

其次，量子芯片還具有更高的容錯性和魯棒性。在傳統(tǒng)芯片上，一個比特的錯誤可能會導致整個計算過程的失敗，而在量子芯片上，一個比特的錯誤只會影響該比特所存儲的信息，不會對計算過程產(chǎn)生太大影響。

最后，在具備諸多優(yōu)勢的同時，量子芯片的制造并不復雜。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，便可直接進行生產(chǎn)，能夠節(jié)省前期研發(fā)時間成本。

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

兩大技術分支被業(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量子比特芯片是目前最受關注的兩大技術分支，業(yè)內一些企業(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，將單個電子嵌入硅晶格中，實現(xiàn)硅基量子比特的制備。這種技術在制造上的成本相對較低，且與傳統(tǒng)半導體工業(yè)有天然的銜接。

量子芯片技術的特點在于利用其原本的生產(chǎn)線工藝，實現(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。

超導量子比特芯片是量子芯片領域的另一個重要分支，其核心是利用超導材料的獨特性質來提高量子比特的操作性能。超導量子芯片同樣可以看作量子芯片的一種演進形式，通過引入超導技術，加強了量子比特的穩(wěn)定性和可控性，從而更好地適應量子計算的需求。

IBM量子芯片規(guī)劃圖（圖片來源：IBM）

運行環(huán)境嚴苛成主要發(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)模應用，依舊需要時間。

據(jù)了解，量子芯片需要在低溫環(huán)境下運行，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行。在這個溫度下，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，實現(xiàn)這種低溫環(huán)境需要使用特定的設備，如稀釋式冰箱，這種設備不僅體積龐大，而且價格昂貴能耗巨大。

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，在超導量子比特芯片領域，鉭和鈮是兩種備受關注的關鍵材料。它們具有優(yōu)異的超導性能，常被用作超導線圈和超導磁體等超導器件的核心材料。同時，鉭和鈮的超導性能在低溫下表現(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)境下運行，是實現(xiàn)量子芯片規(guī)模化應用的關鍵。業(yè)內專家說：“目前，量子芯片只能在一些特殊的領域采用，難以像手機芯片一樣供人們大規(guī)模使用。因此，尋找一種可以在常溫、常壓下運行的量子芯片也是當前的研究重點?！?/p>

編輯：黃飛