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。

五分钟解释什么是量子芯片

漫画：芸姑娘

编辑：oqcsc

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