量子計算同量子通信、量子測量共同被認為是量子科技的重要方向。相比于如今火熱的量子通信，神秘的量子測量，量子計算憑借計算能力上所具有的想象空間，近年來，成為全球主要國家爭相布局的前沿科技領域。

量子芯片作為量子計算機最核心的部分，是執(zhí)行量子計算和量子信息處理的硬件裝置。但由于量子計算遵循量子力學的規(guī)律和屬性，傳統(tǒng)的經典集成電路芯片而言，量子芯片在材料、工藝、設計、制造、封測等方面的要求和實現(xiàn)路徑上都存在一定差異。

兩種主流實現(xiàn)方式

經典集成電路芯片通過一個個晶體管構建經典比特，二進制信息單元即經典比特，基于半導體制造工藝，采用硅、砷化鎵、鍺等半導體作為材料。

而量子芯片采用2個量子狀態(tài)來疊加及糾纏，用以執(zhí)行以量子比特為基礎的運算，因此只要物質的物理性質具有兩個易于操作的量子態(tài)，都有可能成為量子比特的制作基礎，類似經典集成電路芯片中高低電平代表的“1”與“0”。

根據(jù)構建量子比特所采用的不同物理體系，量子比特在物理實現(xiàn)方式上包括超導量子電路、半導體量子點、離子阱、金剛石空位、拓撲量子、光子等。

開發(fā)與現(xiàn)代半導體工藝兼容的電控量子芯片是量子計算機研制的重要方向之一，半導體量子點和超導量子電路技術被視為最有可能實現(xiàn)大規(guī)模集成量子信息處理器的物理方案。

經典集成電路芯片包括數(shù)字和模擬芯片，量子芯片可以視為一種模擬芯片，主要采用的制程在100nm左右，但與經典集成電路芯片最大的不同在于制造的工藝與材料不同。

其中，超導量子芯片利用約瑟夫森結構成的超導電路來實現(xiàn)二能級系統(tǒng)，主流材料是鋁，通過在鋁膜上刻蝕電路形狀，用微波信號實現(xiàn)對其控制。半導體量子芯片是在傳統(tǒng)的半導體微電子制造工藝基礎上，尋找到能夠實現(xiàn)控制的電子，通過控制電子的多個自由度實現(xiàn)二能級系統(tǒng)。

半導體量子芯片可以很好地結合和利用現(xiàn)代成熟的半導體微電子制造工藝，通過純電控的方式制備、操控與讀取量子比特更具靈活性。與現(xiàn)代大規(guī)模集成電路類似，半導體量子芯片具有良好的可擴展、可集成特性，被認為是未來實現(xiàn)大規(guī)模實用化量子計算的最佳候選體系之一。

超導量子芯片具有如下優(yōu)勢： 一是操作數(shù)大，超導量子比特相干時間長，操作速度快，保真度高，總體能夠實現(xiàn)上千次操作。 二是工藝成熟，相對其他固態(tài)量子芯片體系，超導量子比特受材料缺陷的影響更小，利用成熟的納米加工技術，可以實現(xiàn)大批量生產。 三是可擴展性好，超導量子比特結構簡單，調控方便，極易擴展。

目前，全球領先的量子計算技術主要掌握在美國、澳大利亞、日本和中國等高校和企業(yè)手中。谷歌和IBM都推出了超導量子芯片，英特爾、澳大利亞新南威爾士大學和荷蘭代爾夫特大學推出了半導體量子芯片。

我國量子計算領軍企業(yè)本源量子目前開發(fā)出第一代半導體2比特量子處理器玄微 XW B2-100、第一代超導6比特夸父量子處理器KF C6-130。

硅材料純度要求更高

傳統(tǒng)集成電路芯片主要指經典計算機的硅基半導體芯片，它基于半導體制造工藝，采用硅、砷化鎵、鍺等半導體材料。

實現(xiàn)對于量子芯片中的量子比特的精確控制，對環(huán)境要求苛刻，不僅要超低溫，還要“超潔凈”，極其微弱的噪聲、振動、電磁波和微小雜質顆粒都會擾亂信號，這對于量子芯片的材料和設計提出了更高的要求。

據(jù)本源量子副總裁趙勇杰介紹，在硅材料純度上，相較于經典芯片而言，量子芯片的要求更高。比如常規(guī)硅片中含有大量的硅28和少量的硅29同位素，由于硅29的核自旋可以影響硅基半導體量子芯片中電子的自旋，因此在半導體量子芯片應用中需要在硅材料提純硅28，去除其中的硅29。

電磁場對于半導體以及超導量子比特的干擾也較大，雖然傳統(tǒng)芯片設計中也要考慮電磁場的相互影響，但在量子芯片的設計中會考慮得更加精細。

此外，即使是工作溫度比較高的硅基半導體量子芯片，目前工作的溫度最高也要到1.5k，也就是零下272.5度，這樣的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)集成電路的很多因素就會受到影響，比如開關電壓不同等。

因此，量子芯片迫切需要發(fā)展超導電子學技術和低溫電子學技術。因為當芯片集成比特數(shù)達到數(shù)千個以后，按照現(xiàn)有的模式，用室溫電子學控制設備控制每一個比特幾乎不可能實現(xiàn)，需要將比特的控制部分和量子芯片集成，能夠達到這個目標的唯一技術是超導電子學。目前超導電子學技術還處在非常基礎的階段，實際應用非常少，如何與量子芯片集成更是有待研究的全新課題。

與此同時，為了實現(xiàn)低溫環(huán)境，還需要配置大功率極低溫制冷機。超導量子芯片只能在10mK左右的極低溫（約零下273.14度）下才能工作，而且還要求提供足夠的制冷功率，目前能做到的只有稀釋制冷機。當前的稀釋制冷機技術僅能做到滿足數(shù)百個比特的需求，支持更大規(guī)模的量子芯片的技術仍是一個待研究的課題，目前國內的稀釋制冷機主要都是通過進口獲得。

獨特的設計、制造和封裝

同傳統(tǒng)集成電路芯片設計類似，量子芯片的設計也需要依靠設計和仿真軟件。但由于同半導體芯片電路特性不同，量子芯片電路原理和結構設計遵循完全不同的邏輯，不可能直接使用現(xiàn)有的半導體芯片設計或仿真軟件，需要重新開發(fā)。

“目前市場上并沒有成熟的量子芯片EDA軟件，我們自主研發(fā)的量子芯片EDA工具，是在傳統(tǒng)設計和仿真的基礎上進行了功能的升級，并且包含自研的量子芯片核心仿真程序。通過現(xiàn)有經驗和數(shù)據(jù)工具，進行結構和參數(shù)指標方面的設計。此外，比如針對超導量子芯片，也包含了微波電路的一些技術，很多結構可以用微波仿真軟件來模擬特性，為量子芯片的設計提供指導依據(jù)。”趙勇杰說。

在制造方面，量子芯片的生產制造過程本身具有的復雜的系統(tǒng)工程屬性以及需要非常專業(yè)化知識體系，決定了無法如通過設計好的EDA制作參數(shù)以及自動化工具，借助現(xiàn)有的代工資源去完成生產制作，其生產制造的每個環(huán)節(jié)，都需要專業(yè)化程度較高的特定工程師逐步調試工藝參數(shù)。

在封裝環(huán)節(jié)，也需要在傳統(tǒng)封裝技術的基礎上，通過技術工具實現(xiàn)對于量子芯片的封裝。一方面要求能夠在封裝后，大幅度抑制信號泄露并進行噪聲隔離，同時要具有高效的集成性，高效的散熱性能，提供磁場屏蔽保護與紅外輻射屏蔽保護等特性。另一方面，比如對于超導量子芯片而言，在封裝中，最重要的環(huán)節(jié)是要將其中的控制通道，通過微波線纜引出，保證低溫狀態(tài)下能夠有效將量子芯片冷卻到較低的溫度。

由于專業(yè)性較高，技術復雜，目前推出量子芯片的企業(yè)基本上都是采用IDM的方式，芯片制備需要專門的工藝和設備產線。相關產品在研發(fā)周期，設備和資金投入方面也較傳統(tǒng)模擬芯片投入較大。僅實驗室用的測試設備就在數(shù)千萬元的價格，而制造用的納米加工設備產線，則需要數(shù)億元的投入。

艱難的追趕階段

如上文所述，量子計算的研制屬于巨型系統(tǒng)工程，涉及眾多產業(yè)基礎和工程實現(xiàn)環(huán)節(jié)。我國在高品質材料、工藝結構、制冷設備和測控系統(tǒng)等領域仍落后于領先國家，在一些關鍵環(huán)節(jié)甚至面臨著受制于人的風險。同時，量子計算的實際應用場景仍需要更廣泛持續(xù)地探索。

我國的量子計算研究起步晚于歐美先進國家，且主要以科研為導向，研究主體集中在各個高校與科研院所。雖然在一些細分領域取得了科研上的突破，但在量子計算整體的工程化實現(xiàn)與制造工藝層面與國際先進水平具有明顯差距。

業(yè)內專家指出，量子計算需要克服環(huán)境噪聲、比特錯誤和實現(xiàn)可容錯的普適量子糾錯等一系列難題，真正量子計算機研發(fā)挑戰(zhàn)巨大。

趙勇杰表示，在量子計算芯片方面，中國同國際領先水平還有三四年的差距。

“歐美廠商進展非常快，如何能夠保持持續(xù)追趕的勢頭是關鍵，中國的量子計算芯片的產業(yè)化發(fā)展還處于艱難的追趕階段，如果跟不上，差距將會越拉越大?！壁w勇杰說。

另有行業(yè)人士表示，量子計算除了工程化方面的諸多挑戰(zhàn)之外，量子計算系統(tǒng)在高性能FPGA、高速ADC以及量子計算控制系統(tǒng)等、低溫設備制冷劑等核心器件和材料等方面，仍然依靠進口，也存在不少“卡脖子”環(huán)節(jié)。

“并不能因為實驗室發(fā)表了幾篇世界領先的研究成果就盲目樂觀，我國的量子計算還有很長的路要走?！痹撊耸刻寡?。
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