简述量子芯片

中国研究团队构建的量子计算机“九章”实现了刷屏，引发了人们对量子计算的极大兴趣。那么，作为实现量子计算核心的量子芯片情况又是如何？

简言之，量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息、运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子芯片则是量子计算机的核心之一，也是执行量子计算，进行量子信息处理的硬件装置。

目前量子计算主要分为固态器件(也可称之为电学路线)和光学路线两大类量子计算路线。九章属于光学路线,光学路线的光量子在相干时间上有优势，因为光受环境干扰比较少。但是其可操控性较弱，而且与经典计算很难实现兼容。目前，媒体报道较多的IBM与谷歌的量子计算，所走的就是超导量子计算路线，而英特尔所走的是半导体量子技术路线。无论是超导还是半导体都属于固态器件路线，都属于电学路线。

光学路线与电学路线量子计算，究竟哪种在未来会更成功，业界并没有给出定论，但是从与经典计算的兼容、从现有工艺与产业资源的成熟度、商业化和产业化等综合维度来看，固态器件都有明显的优势。目前世界上多数量子计算采用固态器件的路线，因为它有很好的工业基础，而且与经典计算能够更好地融合，更容易实现产业化、工程化。

根据知乎上本源量子提供的资料，在芯片的实现上，经典集成电路芯片是通过一个个晶体管构建经典比特，二进制信息单元即经典比特。而量子芯片采用不同物理体系构建量子比特，例如超导量子芯片利用约瑟夫森结来实现二能阶系统，半导体量子芯片通过控制电子的多个自由度实现二能阶系统等。

半导体量子芯片可以很好地结合和利用现代成熟的半导体微电子制造工艺，通过纯电控的方式制备、操控与读取量子比特更具灵活性。与现代大规模集成电路类似，半导体量子芯片具有良好的可扩展、可集成特性，被认为是未来实现大规模实用化量子计算的最佳候选体系之一。

同传统集成电路芯片设计类似，量子芯片的设计也需要依靠设计和仿真软件。但由于同半导体芯片电路特性不同，量子芯片电路原理和结构设计遵循完全不同的逻辑，需要重新开发。

在制造方面，量子芯片的生产制造过程本身具有的复杂的系统工程属性以及需要非常专业化知识体系，其生产制造的每个环节，都需要专业化程度较高的特定工程师逐步调试工艺参数。在封装环节，也需要在传统封装技术的基础上，通过技术工具实现对于量子芯片的封装。一方面要求能够在封装后，大幅度抑制信号泄露并进行噪声隔离，同时要具有高效的集成性，高效的散热性能，提供磁场屏蔽保护与红外辐射屏蔽保护等特性。另一方面，在封装中，最重要的环节是要将其中的控制通道，通过微波线缆引出，保证低温状态下能够有效将量子芯片冷却到较低的温度。

目前，各国政府和国际巨头都在积极开发量子计算机和量子芯片。美国近十年来，已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目，以每年约 2 亿美元的投入力度，持续支持量子信息各领域研究。欧盟 2016 年推出“量子宣言”旗舰计划，在未来十年投资 10 亿欧元，支持量子计算、通信、模拟和传感四大领域的研究和应用推广，并在 2018 年 11 月正式启动首批20 个研究项目。日本文部科学省 2013 年成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来十年内投资 400 亿日元，支持量子通信和量子信息领域的研发。

企业层面上来看，谷歌、IBM、英特尔和微软等科技巨头近年来大举进军量子计算领域，并且与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学系统等科研机构联合攻关共性技术。在近日（12月4日）刚刚举办的英特尔研究院开放日活动上，英特尔再次推出新款量子控制芯片，第二代低温控制芯片Horse Ridge II。

中国也在积极推进量子计算的发展。中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果。百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。从技术角度来看，量子计算还处于原型机研发阶段，技术上仍面临多项挑战。而且产业化一直是量子计算的难点，我国在高品质材料、工艺结构、制冷设备和测控系统等领域仍落后于领先国家。

你知道什么是量子芯片吗？

量子芯片是一种基于量子力学原理设计和制造的半导体芯片，其设计与传统计算机芯片有所不同，利用量子力学的原理进行运算。以下是关于量子芯片的一些关键点：

1. 基本概念

具体来说，量子芯片由操纵和利用单个或多个量子比特(qubit)构成的微型电路板，每个量子比特有两个可能的状态：0和1，但在量子力学中，它们也可以处于这两个状态的线性组合，这种线性组合就是量子计算中“叠加”的概念，并且它还具有“相干”的特性，即在测量之前不会坍塌成任何一个确定的状态。这种特性使得量子芯片能够执行传统计算机无法比拟的计算任务，如因子分解、搜索等，这些任务在传统计算机上需要指数级的时间和资源，而在量子芯片上则可能实现快速解决‌

2. 结构和材料

量子芯片采用的材料可以有很多种，包括超导材料、离子阱、光子器件和其他纳米材料，根据不同的量子计算实现方式而异。

超导量子芯片：一种常见类型的量子芯片，利用超导体的性质形成量子位（如约瑟夫森结）。

离子量子芯片：通过气相或真空中的离子来实现量子操作，通常采用激光来控制个别离子。

光子量子芯片：使用光子作为量子位，通过光的操作来进行计算。

4. 应用领域

量子计算：量子芯片可以用于解决复杂计算问题，例如大整数分解（如用于密码破解）、优化问题和因子分解等。

量子通信：用于实现量子密钥分发（QKD），确保信息的安全性。

量子模拟：模拟量子系统，自然科学和材料科学等领域中的复杂现象。

量子芯片代表了新一代计算技术的前沿，利用量子力学的特性有潜力在未来的计算和信息处理领域中带来变革。虽然量子计算尚处于发展阶段，但它为解决某些类型的问题提供了传统计算无法实现的可能性。

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