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(shù)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(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、高可擴展性等優(yōu)點。

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、高可擴展性等優(yōu)點，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，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、高可擴展性等優(yōu)點，并且對環(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行更準確的預(yù)測和優(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行更快速的模擬和計算，從而提高化學(xué)和物理領(lǐng)域的研究效率。


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(xué)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?qū)崿F(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(shù)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(fù)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(dǎo)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(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，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(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，并且有望實現(xiàn)更高效、更強大的計算能力。

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。

硅基量子比特芯片是利用硅材料的特殊性質(zhì)，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(shù)在制造上的成本相對較低，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(dǎo)量子比特芯片是量子芯片領(lǐng)域的另一個重要分支，其核心是利用超導(dǎo)材料的獨特性質(zhì)來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形式，通過引入超導(dǎo)技術(shù)，加強了量子比特的穩(wěn)定性和可控性，從而更好地適應(yīng)量子計算的需求。


國家戰(zhàn)略計劃聚焦量子計算

如今，量子計算儼然成為科技領(lǐng)域的研究熱點，多國政府以及各大科技公司都紛紛投入大量精力和資金來研究和開發(fā)量子計算技術(shù)。美國在量子計算技術(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)報告。2018年美國政府推出《國家量子倡議法案》，2020年發(fā)布《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》等量子專項戰(zhàn)略，并于2022年發(fā)布關(guān)于促進量子計算的《國家安全備忘錄》。幾年間，美國政府不斷頒布多項量子計算政策。加拿大政府在2021年7月宣布制定國家量子戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略由加拿大創(chuàng)新、科學(xué)和經(jīng)濟發(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，還成立了量子計算發(fā)展機構(gòu)，與加拿大商業(yè)界密切合作。英國政府于2014年啟動“國家量子技術(shù)計劃”，成立4個國家量子技術(shù)中心來開展工作，中心致力于培養(yǎng)人才、開展研究和推動產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，以加快量子技術(shù)的商業(yè)化。德國政府于2021年制定了《量子計算路線圖》，并啟動慕尼黑量子谷研究集群計劃。日本政府也主張該領(lǐng)域的研究和發(fā)展，并成立量子計算研究與應(yīng)用中心。

自2016年起，中國政府發(fā)布多項量子技術(shù)相關(guān)政策，2016年8月國務(wù)院頒發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，將量子計算機列入科技創(chuàng)新2030重大項目，研制通用的量子計算原型機和實用化量子模擬機?！笆奈濉币?guī)劃期間，全國多個省級行政區(qū)出臺地方發(fā)展規(guī)劃，支持量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國政府在量子計算領(lǐng)域開始重點投入，并成立量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，吸納中國建設(shè)銀行、中國移動、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。從各國近年來加大對量子計算的研究與商業(yè)化支持力度來看，已經(jīng)形成量子計算從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用化研發(fā)全覆蓋的局面。


量子計算技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢

量子計算協(xié)同創(chuàng)新應(yīng)用層出，領(lǐng)域內(nèi)原創(chuàng)成果增加。在實際生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，量子計算技術(shù)的優(yōu)勢主要集中在模擬物質(zhì)、優(yōu)化問題、機器學(xué)習(xí)等方面。量子計算機可以模擬大分子、復(fù)雜材料等，可以通過優(yōu)化算法，為生產(chǎn)和工作中的問題提供快速有效的解決方案，可以通過提供更大的存儲和更高效的處理能力，對海量數(shù)據(jù)進行快速、準確的分析和學(xué)習(xí)。從應(yīng)用研究看，國外金融、醫(yī)藥、大型裝備制造商等與量子計算公司進行深度融合，圍繞量子計算在行業(yè)的應(yīng)用進行協(xié)同創(chuàng)新，取得了不少原創(chuàng)性成果。2021年，美國量子計算研發(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）合作研究量子計算藥物研發(fā)。

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

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

此外，量子計算也被證明在生物制藥、能源化工、氣象預(yù)測等行業(yè)具有潛力。在制藥行業(yè)，量子計算可以用來研究新藥的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)，模擬化學(xué)分析結(jié)構(gòu)，進而解決量子化學(xué)的合成和藥物輔助設(shè)計，提高新藥的產(chǎn)量和品質(zhì)。在采礦和勘探行業(yè)，量子計算可以協(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)，量子計算可以用來規(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輸成本。在能源領(lǐng)域，量子計算可用于分析和管理太陽能、氫能、風(fēng)電場的流體動力學(xué)特性等，進而為能源高效利用、轉(zhuǎn)化、儲存提供更多的技術(shù)支持。在氣象行業(yè)，量子計算可以用來快速、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)報實時性和準確性?；谄洳⑿行院透咝惴▋?yōu)化能力，還可以對氣象進行有效的仿真、跟蹤和預(yù)測。在安全行業(yè)，量子計算可以用于對當(dāng)前正在使用的加密系統(tǒng)的防守和攻擊。量子計算技術(shù)在這些應(yīng)用領(lǐng)域“齊頭并進”，或?qū)榭茖W(xué)研究提供革命性突破。

因此，加快量子計算的技術(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。世界已進入大科學(xué)時代，全球科技發(fā)展的信息化特征日趨明顯，呈現(xiàn)出兩級分化的演進狀態(tài)。一個是智能化，一個是邊緣化。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)濟發(fā)展，還體現(xiàn)在國家安全、社會公共管理等方方面面，如果不能智能化、量子化，可能就會被邊緣化。