量子計(jì)算以其獨(dú)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(shù)方向之一。其中，量子芯片作為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的核心部件，是解決海量數(shù)據(jù)處理難題的關(guān)鍵所在。


什么是量子芯片

量子芯片是一種可以執(zhí)行量子計(jì)算的物理裝置，它利用了量子力學(xué)中的疊加和糾纏等特性，可以比傳統(tǒng)芯片更高效地解決某些問(wèn)題。量子芯片可以由超導(dǎo)線圈、半導(dǎo)體材料、離子阱等技術(shù)制成，每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

根據(jù)制造材料和技術(shù)手段的不同，量子芯片大致可以分為以下幾類：

超導(dǎo)量子芯片：利用超導(dǎo)材料中的約瑟夫森效應(yīng)來(lái)制造和操作量子比特。超導(dǎo)量子芯片是目前最成熟和最廣泛應(yīng)用的量子芯片技術(shù)，具有高速、高精度、高可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。

半導(dǎo)體量子芯片：利用半導(dǎo)體材料中的電子自旋或光子極化來(lái)制造和操作量子比特。半導(dǎo)體量子芯片具有高速、高精度、高可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，并且與現(xiàn)有的集成電路技術(shù)有較好的兼容性。

離子阱量子芯片：利用離子阱中的離子電荷態(tài)或自旋態(tài)來(lái)制造和操作量子比特。離子阱量子芯片具有高精度、高穩(wěn)定性、高可控性等優(yōu)點(diǎn)，并且可以用于制備多量子比特糾纏態(tài)。

光子量子芯片：利用光子干涉、衍射、糾纏等特性來(lái)制造和操作量子比特。光子量子芯片具有高速、高精度、高可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)環(huán)境干擾的魯棒性較好。

量子芯片在密碼學(xué)、金融、化學(xué)、物理等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，利用量子芯片可以進(jìn)行更高效的加密和解密，從而提高網(wǎng)絡(luò)安全性；利用量子芯片可以進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和優(yōu)化，從而提高金融行業(yè)的效率和精度；利用量子芯片可以進(jìn)行更快速的模擬和計(jì)算，從而提高化學(xué)和物理領(lǐng)域的研究效率。


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(chǔ)、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(chǔ)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(chǔ)及處理信息時(shí)，信息的編碼、存儲(chǔ)和讀取都是利用量子疊加和量子糾纏來(lái)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(guò)制備一對(duì)或多個(gè)處于糾纏態(tài)的量子比特來(lái)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算過(guò)程的失敗，而在量子芯片上，一個(gè)比特的錯(cuò)誤只會(huì)影響該比特所存儲(chǔ)的信息，不會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生太大影響。

最后，在具備諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，量子芯片的制造并不復(fù)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(dòng)，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(jī)。

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(duì)較低，且與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)有天然的銜接。

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(guò)提高比特的操控溫度，從MK提升到K級(jí)，使得量子芯片的集成化加工更近一步。

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(lái)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(guò)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。


國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃聚焦量子計(jì)算

如今，量子計(jì)算儼然成為科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，多國(guó)政府以及各大科技公司都紛紛投入大量精力和資金來(lái)研究和開發(fā)量子計(jì)算技術(shù)。美國(guó)在量子計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域率先投資，早在1999年就發(fā)布了有關(guān)“量子信息科學(xué)”的科學(xué)技術(shù)報(bào)告。2018年美國(guó)政府推出《國(guó)家量子倡議法案》，2020年發(fā)布《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》等量子專項(xiàng)戰(zhàn)略，并于2022年發(fā)布關(guān)于促進(jìn)量子計(jì)算的《國(guó)家安全備忘錄》。幾年間，美國(guó)政府不斷頒布多項(xiàng)量子計(jì)算政策。加拿大政府在2021年7月宣布制定國(guó)家量子戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略由加拿大創(chuàng)新、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展部(ISED)的秘書處協(xié)調(diào)，不僅提供大量資金支持該領(lǐng)域研究，還成立了量子計(jì)算發(fā)展機(jī)構(gòu)，與加拿大商業(yè)界密切合作。英國(guó)政府于2014年啟動(dòng)“國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃”，成立4個(gè)國(guó)家量子技術(shù)中心來(lái)開展工作，中心致力于培養(yǎng)人才、開展研究和推動(dòng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，以加快量子技術(shù)的商業(yè)化。德國(guó)政府于2021年制定了《量子計(jì)算路線圖》，并啟動(dòng)慕尼黑量子谷研究集群計(jì)劃。日本政府也主張?jiān)擃I(lǐng)域的研究和發(fā)展，并成立量子計(jì)算研究與應(yīng)用中心。

自2016年起，中國(guó)政府發(fā)布多項(xiàng)量子技術(shù)相關(guān)政策，2016年8月國(guó)務(wù)院頒發(fā)《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，將量子計(jì)算機(jī)列入科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目，研制通用的量子計(jì)算原型機(jī)和實(shí)用化量子模擬機(jī)。“十四五”規(guī)劃期間，全國(guó)多個(gè)省級(jí)行政區(qū)出臺(tái)地方發(fā)展規(guī)劃，支持量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國(guó)政府在量子計(jì)算領(lǐng)域開始重點(diǎn)投入，并成立量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，吸納中國(guó)建設(shè)銀行、中國(guó)移動(dòng)、平安銀行等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)相繼開展商業(yè)化應(yīng)用探索。從各國(guó)近年來(lái)加大對(duì)量子計(jì)算的研究與商業(yè)化支持力度來(lái)看，已經(jīng)形成量子計(jì)算從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用化研發(fā)全覆蓋的局面。


量子計(jì)算技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)

量子計(jì)算協(xié)同創(chuàng)新應(yīng)用層出，領(lǐng)域內(nèi)原創(chuàng)成果增加。在實(shí)際生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，量子計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要集中在模擬物質(zhì)、優(yōu)化問(wèn)題、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面。量子計(jì)算機(jī)可以模擬大分子、復(fù)雜材料等，可以通過(guò)優(yōu)化算法，為生產(chǎn)和工作中的問(wèn)題提供快速有效的解決方案，可以通過(guò)提供更大的存儲(chǔ)和更高效的處理能力，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析和學(xué)習(xí)。從應(yīng)用研究看，國(guó)外金融、醫(yī)藥、大型裝備制造商等與量子計(jì)算公司進(jìn)行深度融合，圍繞量子計(jì)算在行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新，取得了不少原創(chuàng)性成果。2021年，美國(guó)量子計(jì)算研發(fā)巨頭谷歌（Google）與世界最大私有制藥企業(yè)勃林格殷格翰（BI）合作研究量子計(jì)算藥物研發(fā)。

2022年，美國(guó)最大港口洛杉磯港首次采用量子計(jì)算技術(shù)倍數(shù)提升港口運(yùn)營(yíng)效率。微軟、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基于量子計(jì)算模擬一個(gè)催化化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了30倍加速和10倍成本降低。國(guó)內(nèi)量子計(jì)算潛在應(yīng)用客戶多數(shù)是國(guó)企，建信金科與本源量子合作開發(fā)首批量子計(jì)算金融算法，新華財(cái)經(jīng)與本源量子聯(lián)合開發(fā)上線首個(gè)量子金融App，但除了金融、通訊機(jī)構(gòu)外，其他行業(yè)單位展開量子計(jì)算應(yīng)用合作研究較少。

“示范性”領(lǐng)域帶頭，多行業(yè)“齊頭并進(jìn)”。量子計(jì)算科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用理應(yīng)“相輔相成”，科研課題來(lái)自于各行業(yè)的真需求，選擇更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的課題帶入科研，從而探索出新技術(shù)的更多應(yīng)用場(chǎng)景，也是國(guó)際量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。金融行業(yè)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域之一，量子計(jì)算可以用于該領(lǐng)域加密和解密數(shù)據(jù)，以提供更高的安全性；可用于市場(chǎng)的預(yù)測(cè)和優(yōu)化，協(xié)助金融機(jī)構(gòu)強(qiáng)化決策、降低風(fēng)險(xiǎn)和增加收益；還可以應(yīng)用于精準(zhǔn)定價(jià)、交易結(jié)算和資產(chǎn)分配等方面。2022年，美國(guó)全國(guó)性保險(xiǎn)業(yè)龍頭企業(yè)美國(guó)州立農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)公司（State Farm）在其內(nèi)部成立量子團(tuán)隊(duì)，正式入局量子計(jì)算，探索潛在解決方案，以更好地滿足客戶需求。

此外，量子計(jì)算也被證明在生物制藥、能源化工、氣象預(yù)測(cè)等行業(yè)具有潛力。在制藥行業(yè)，量子計(jì)算可以用來(lái)研究新藥的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)，模擬化學(xué)分析結(jié)構(gòu)，進(jìn)而解決量子化學(xué)的合成和藥物輔助設(shè)計(jì)，提高新藥的產(chǎn)量和品質(zhì)。在采礦和勘探行業(yè)，量子計(jì)算可以協(xié)助尋找礦藏和石油等寶貴資源，優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)省成本。

在物流行業(yè)，量子計(jì)算可以用來(lái)規(guī)劃最優(yōu)路徑和優(yōu)化交通網(wǎng)絡(luò)，從而提高物流效率并降低運(yùn)輸成本。在能源領(lǐng)域，量子計(jì)算可用于分析和管理太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)電場(chǎng)的流體動(dòng)力學(xué)特性等，進(jìn)而為能源高效利用、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存提供更多的技術(shù)支持。在氣象行業(yè)，量子計(jì)算可以用來(lái)快速、有效地處理大量且多維度的復(fù)雜氣象數(shù)據(jù)，有助于提高天氣預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。基于其并行性和高效算法優(yōu)化能力，還可以對(duì)氣象進(jìn)行有效的仿真、跟蹤和預(yù)測(cè)。在安全行業(yè)，量子計(jì)算可以用于對(duì)當(dāng)前正在使用的加密系統(tǒng)的防守和攻擊。量子計(jì)算技術(shù)在這些應(yīng)用領(lǐng)域“齊頭并進(jìn)”，或?qū)榭茖W(xué)研究提供革命性突破。

因此，加快量子計(jì)算的技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用推廣和生態(tài)構(gòu)建，不僅重要而且必要更是緊要。世界已進(jìn)入大科學(xué)時(shí)代，全球科技發(fā)展的信息化特征日趨明顯，呈現(xiàn)出兩級(jí)分化的演進(jìn)狀態(tài)。一個(gè)是智能化，一個(gè)是邊緣化。如同工業(yè)化的核心是“馬力”，智能化的核心就是“算力”，而量子計(jì)算是算力發(fā)展的新賽道。這種兩極分化不光體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還體現(xiàn)在國(guó)家安全、社會(huì)公共管理等方方面面，如果不能智能化、量子化，可能就會(huì)被邊緣化。