量子計算作為下一代信息處理技術的重要方向，正受到各國高度重視。量子芯片是量子計算機的數據處理器，是實現量子計算的核心。近年來，基于不同物理原理的量子芯片不斷涌現。
2024年12月上旬，谷歌(Google)公司推出其最新量子芯片“威洛”(Willow)，引發全球輿論的高度關注。這或許代表了通往量子計算的某條路徑有所突破，但最終哪把“鑰匙”能真正打開量子計算的“大門”仍未可知。
技術路徑“百花齊放”
“芯片化、集成化是量子計算機由實驗裝置走向實用的必然趨勢。”上海交通大學教授、圖靈量子創始人金賢敏介紹，量子芯片可按照其所用量子比特的類型分類，目前有三大主流技術路徑——超導、光量子和離子阱。近年來，中性原子量子比特技術有所發展，可能成為第四大路徑。
美國國際商用機器公司(IBM)、Google等企業將超導量子芯片作為主要攻關方向。2019年1月，IBM發布全球首臺完全集成的通用量子計算機——“IBM Q System One”，其芯片包含20個超導量子比特。同年，Google借助包含53個超導量子比特的“懸鈴木”(Sycamore)量子芯片，率先演示量子霸權。最近大火的Willow也是超導量子芯片。
2021年，加拿大量子計算企業Xanadu推出8個比特的X8光量子芯片，拉開了光量子計算商業化的序幕。2022年6月，Xanadu使用可編程光量子芯片Borealis，展示了量子計算優越性。
2015年，專注于研制離子阱量子計算機的IonQ公司創立。2020年，IonQ發布了一個包含11個量子比特的量子芯片，宣稱其實現了比Google更高的量子優越性。IonQ之后又相繼發布包含20個量子比特、32個量子比特的芯片。在IonQ之后，美國霍尼韋爾子公司Quantinuum等也加入了研制離子阱量子芯片的行列。
近幾年，中性原子技術路徑也開始崛起。美國、法國等國研究團隊相繼在這一領域取得進展。
“此外，硅基量子比特、拓撲量子比特等技術也在發展之中，但與超導、光量子等主流路徑相比，仍處于非常早期的階段。”金賢敏說。
科大國盾量子技術股份有限公司量子計算云平臺負責人儲文皓說，即便是同一類技術路徑，不同團隊選擇的實現方式也不盡相同。例如，同樣是超導量子芯片，Google將量子比特排列成四邊形，而IBM量子比特的布局則是呈蜂窩狀的六邊形。
關鍵難題亟待破解
“成也蕭何，敗也蕭何。”金賢敏說，不同類型的量子比特催生了不同的量子芯片技術路徑，但也給這些技術路徑帶來了與生俱來的固有問題。
儲文皓說，可以使用量子比特數、保真度(計算的錯誤率)、系統相干時間(量子比特保持量子狀態的時間，量子計算只能在量子狀態下開展)等指標來評價一種量子芯片。
儲文皓介紹，超導量子芯片使用“約瑟夫森結”為基礎的超導電路充當量子比特，其最大優勢是可利用現有成熟的集成電路工藝進行制造，可擴展性強，容易構建比特數更多的量子芯片。
“但超導量子比特易受環境影響，相互之間也容易產生干擾，導致計算錯誤率較高，所以超導量子芯片尤其需要解決糾錯問題。”金賢敏說，此外，超導電路需要在接近絕對零度的極低溫下運行，這必然會增加量子計算機的制造成本和使用時的限制條件。
“光量子芯片利用光子作為量子比特。”金賢敏解釋，光子不受電磁噪聲干擾，量子相干時間極長，適用于長時間量子計算。同時，光量子芯片可在常溫下運行，無需超低溫制冷設備，顯著降低了運行成本和部署難度。更重要的是，光量子芯片對制造工藝要求較低，可利用現有半導體技術逐步進行迭代優化。
“但光量子芯片也面臨光子間相互作用難以工程化、集成光子線路設計難度大等挑戰。”金賢敏說，相比超導量子芯片，其初期技術門檻更高，發展路徑較為陡峭。
“離子阱量子比特是把一個帶電粒子放到電磁場中，利用激光來調控。”儲文皓介紹，離子阱技術路徑的最大優勢是相干時間長，達到了小時級，計算保真度也非常高。但問題是擴展性相對較差，目前離子阱芯片實現的量子比特數較少，原因是離子間的相互排斥容易導致離子陣列的混亂。
中性原子量子計算使用激光冷卻和囚禁中性原子，通過微波或光學躍遷操控原子作為量子比特。“中性原子最大的優勢是擴展性超強，目前所有固態類型的量子處理器中，中性原子技術實現的量子比特數是最多的。”儲文皓說，但中性原子的高效率讀取非常困難，且現有的中性原子量子比特更像是一個實驗室樣品，距離工業化還很遠。
“離子阱和中性原子技術路徑有個相似的固有問題。”金賢敏說，這兩種技術路徑在構建量子比特時，都需要激光器等宏觀光學元器件，技術較為復雜，加大了芯片集成的難度。
花落誰家尚未可知
2023年，美國工業咨詢公司ADL發文稱，其邀請數百名業內人士參與調查，結果分別有39%、35%和36%的量子專家認為基于電子(如超導)、基于原子(包括中性原子和離子阱)和基于光子的量子比特技術會最先取得成功。文章認為，這種均衡的分布表明，哪種量子比特能夠打開量子計算的“大門”這一問題仍然懸而未決。
放眼全球，很多國家都采取了多路攻堅、多頭下注的方式，同時發展多種量子芯片技術。以美國為例，2022年，超導量子計算企業Rigetti Computing獲美國國防高級研究計劃局(DARPA)資助。2023年初，DARPA宣布選定Atom Computing、微軟和PsiQuantum公司分別研究中性原子、拓撲和光量子計算機的設計概念。2023年12月，DARPA資助的哈佛大學等機構研究人員在《自然》發表論文，稱其開發出一種包括48個邏輯量子比特的中性原子量子芯片模型。
在金賢敏看來，盡管Willow在解決超導量子芯片糾錯問題上取得了科學原理上的突破，但目前要研制出百萬量子比特的通用量子計算機尚需時日，最先勝出的技術路徑可能是超導或者光量子。
金賢敏認為，現有技術路徑中只有這兩種已經實現了量子霸權。值得注意的是，光量子芯片在玻色采樣實驗實現了量子霸權，相比超導量子芯片實現量子霸權的隨機線路采樣實驗更具有潛在應用價值。采用光量子路徑可能先于超導路徑研制出某些領域的專用量子計算機。“美國PsiQuantum公司是目前全球融資最多的量子計算初創企業，它采取的正是光量子芯片技術路徑。這可能代表了資本市場的某種選擇。”金賢敏說。
儲文皓則認為，光量子路徑在專用量子計算機上確有優勢，但Willow在糾錯問題上的突破無疑給超導路徑打了一劑“強心針”。超導路徑能否實現商業化應用的量子計算機已不是一個科研問題，而是一個工程問題。如果更高性能的制冷機、集成度更高的超導芯片、使用人工智能高精度控制量子比特等技術能夠得到解決，Google和IBM提出的在2030年左右研制出百萬量子比特的商業化量子計算機的目標是很有可能實現的。光量子路徑還需要解決一些科研問題，特別是光學元器件的集成化、微型化等問題。如果集成光子學能夠取得突破，光量子路徑可能與超導路徑并駕齊驅。
“針對光量子的這些問題，我們正在提出一些解決方案，通過引入非線性光學材料、模塊化設計等手段，逐步解決瓶頸，推動光量子芯片在擴展性和商用化方面取得突破。”金賢敏說。
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