隨着人工智能產業快速發展，各行各業對算力的需求激增，業內亟需能滿足海量數據處理需求的全新的計算模式。量子計算以其獨特的並行性、疊加性和糾纏性，被視為下一代海量數據處理的重要技術方向之一。其中，量子芯片作為實現量子計算的核心部件，是解決海量數據處理難題的關鍵所在。
量子芯片強在哪裡？
量子芯片究竟強大在何處？
據了解，量子芯片是利用量子力學原理實現信息的存儲、處理和計算，其最核心的是量子比特。相比傳統的比特只能存儲0或1兩種狀態，量子比特可以同時處於0和1這兩種狀態的疊加態，這使得量子芯片能夠實現並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，還能突破傳統芯片存在的技術瓶頸。
首先，在量子芯片上執行邏輯運算、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的。因此，在量子芯片上實現邏輯運算可以通過製備一對或多個處於糾纏態的量子比特來實現，而在傳統芯片上則需要複雜的電路和算法才能實現。
其次，量子芯片還具有更高的容錯性和魯棒性。在傳統芯片上，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，不會對計算過程產生太大影響。
最後，在具備諸多優勢的同時，量子芯片的製造並不複雜。本源量子公司量子芯片中心總監賈志龍向《中國電子報》記者表示，量子芯片的工藝能夠與現有集成電路工藝兼容，因此可以借鑑現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後再做一些改動，便可直接進行生產，能夠節省前期研發時間成本。
因此，量子芯片被視為一種具有重要潛力的芯片製造技術，可以解決傳統半導體芯片製造技術所面臨的一些技術瓶頸，並且有望實現更高效、更強大的計算能力。
兩大技術分支被業界看好
據了解，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，業內一些企業已經取得了成績。
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，實現硅基量子比特的製備。這種技術在製造上的成本相對較低，且與傳統半導體工業有天然的銜接。
英特爾是硅基量子比特芯片的主要玩家之一，其技術發展主要集中在硅自旋量子比特上。據了解，英特爾在2023年6月發布了全新的量子芯片Tunnel Falls，這款芯片包含了12個硅自旋量子比特，在300毫米的硅晶圓上生產製造，每塊晶圓上能夠實現超過24000個量子點，從而形成可被相互隔離或同時操控的4到12個量子比特。業內專家告訴《中國電子報》記者，英特爾的量子芯片技術的特點在於利用其原本的生產線工藝，實現了大規模集成，並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定性和可控性，從而更好地適應量子計算的需求。
IBM是超導量子比特芯片的主要研發企業之一，其開發的超導量子芯片比特數量已進入百位時代。在2021年，IBM推出了創紀錄的擁有127個量子比特的芯片；而在2022年11月，IBM又推出了433量子比特的Osprey處理器。據了解，該公司的下一個目標是在2023年發布有1121量子比特的處理器，名為Condor。
IBM量子芯片規劃圖（圖片來源：IBM）
運行環境嚴苛成主要發展瓶頸
雖然，量子芯片被視為處理海量數據的新路徑，但距離大規模應用，依舊需要時間。
據了解，量子芯片需要在低溫環境下運行，從而降低熱噪聲和減少環境干擾，並保持量子比特的穩定性和相乾性。量子比特在高溫下容易受到環境中的噪聲干擾，這種噪聲會破壞量子比特的疊加態，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，系統中粒子之間的相互作用非常微弱，因此熱噪聲和環境干擾對量子比特的影響會降到最低。然而，實現這種低溫環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。
賈志龍告訴《中國電子報》記者，為保證量子芯片能夠在低溫環境下正常運行，可以嘗試使用在低溫狀態表現較為突出的材料。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製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環境下運行，是實現量子芯片規模化應用的關鍵。“目前，量子芯片只能在一些特殊的領域採用，難以像手機芯片一樣供人們大規模使用。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。”業內專家說。
