兒時常玩的“搭積木”游戲中，我們用不同大小和形狀的積木搭建出城堡、橋梁等奇妙構造。而量子計算領域中，看似神秘的量子芯片又是如何制造的？量子芯片也可以通過“搭積木”的方法實現(xiàn)嗎？

▲樂高電影中的科學家

什么是量子芯片？

量子計算機是基于量子力學原理構建的計算系統(tǒng)，其核心硬件是量子芯片。類比經典計算機中CPU與整機的關系，具體而言：

● 量子芯片：承載量子比特（Qubit）的物理載體，負責量子態(tài)的生成、操控與讀取，是量子計算機的“計算核心”。

● 量子計算機：包含量子芯片、低溫控制系統(tǒng)、測控電子學系統(tǒng)（信號處理）及量子軟件棧（算法與糾錯）的完整系統(tǒng)。

簡言之，量子芯片是量子計算機的“心臟”，在和外圍系統(tǒng)協(xié)同工作，解決某些特定問題時，能實現(xiàn)遠超經典計算機的算力。

量子芯片如何“搭積木”？

如果將量子芯片比作我們想要搭建的“城堡”，那么具有不同功能的量子器件就如同那些形態(tài)各異的“積木塊”。借助帶有黏性的微橡皮圖章或微操縱桿，我們可以精準地拾取這些“積木塊”，并將它們組裝到“地基”上——也就是量子芯片的物質載體，最終堆疊成三維混合構架的量子芯片。而精心設計的耦合接口，就如同積木間的“凹槽”與“凸起”，能夠高效地實現(xiàn)芯片的互聯(lián)。

▲樂高積木

由于不同材料各自具有獨特的優(yōu)勢屬性，這些“積木塊”難以僅用單一材料完成全部制造。而“搭積木”的方案，正是通過結合各種材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)取長補短，從而構建出功能完備、綜合性能卓越的量子芯片。

▲用“搭積木”方案制備量子芯片的過程

量子芯片搭建中的難點

搭積木時經常會遇到積木倒塌的情況，類似地，量子芯片搭建的難點主要集中在兩個方面：

難點1：納米級精度的器件對準

量子芯片搭建中的器件堆疊需要納米級精度的器件對準（偏移量<100 nm），“搭積木”是出現(xiàn)毫米級誤差可能導致“城堡”最終倒塌。對準誤差會引起較高的傳輸損耗，進而影響量子態(tài)的保真度。為此，科學家采用高精度的微轉印操作系統(tǒng)，可以提升搭建精度，達到光學分辨率極限。或者采用聚焦離子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）中的微操縱桿，借助集成的掃描電子顯微成像系統(tǒng)，可以實現(xiàn)更高精度的芯片搭建。

難點2：大規(guī)模的量子芯片搭建

目前，部分量子芯片的制備還處于一種手工或半手工的狀態(tài)，難以實現(xiàn)大規(guī)模、自動化、晶圓級的量子芯片搭建。為了解決這個問題，科學家借鑒微電子芯片制造的經驗，開發(fā)適用于量產的設備和規(guī)范化的工藝流程，以實現(xiàn)大規(guī)模、高效的量子芯片制造。

量子芯片助力量子計算機性能提升

2019年，美國谷歌推出的53個量子比特懸鈴木（Sycamore）芯片，在全球首個實現(xiàn)量子優(yōu)越性的芯片，激發(fā)全球量子競賽，后續(xù)迭代推動錯誤率優(yōu)化與邏輯比特擴展。2022年，牛津Ionics離子阱量子芯片采用離子阱技術實現(xiàn)256量子比特操控，支持標準半導體工廠量產，其技術核心為高保真門操作與模塊化擴展設計。2024年，谷歌推出“垂柳”（Willow）芯片，量子比特T1時間達100微秒（較前代提升5倍），錯誤率降低兩倍，邏輯量子比特擴展能力顯著增強，實現(xiàn)“低于閾值”的糾錯成就，為容錯量子計算奠定基礎。

我國在量子芯片制備技術的提升，也在持續(xù)助力超導量子計算機和光量子計算機各項性能的進展。

在美國谷歌發(fā)布“垂柳”（Willow）芯片一周后，中國推出105量子比特的“祖沖之三號”量子芯片，運算能力與穩(wěn)定性匹敵國際頂尖水平，推動量子計算實用化進程[1]。

▲“祖沖之三號”量子芯片

2025年，北京大學與山西大學團隊首次在集成光量子芯片上實現(xiàn)“連續(xù)變量”量子糾纏簇態(tài)，解決了傳統(tǒng)離散變量編碼隨比特數(shù)增加成功率指數(shù)下降的難題，是可擴展光量子信息處理的重要里程碑[2]。

近期，中國團隊基于半導體自組裝量子點與可調諧微腔耦合，實現(xiàn)了系統(tǒng)效率71.2%的確定性單光子源，首次超越量子計算容失閾值（2/3），目前各類確定性單光子源系統(tǒng)中的最高值，在量子通信、量子計算等量子信息場景中具有廣闊應用前景[3]。

▲單光子源系統(tǒng)示意圖

參考資料

[1]Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor

[2] Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb

[3] High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing

本文轉載自《墨子沙龍》微信公眾號

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