原文發(fā)表于《科技導報》2025年第12期 《 從傳統(tǒng)計算機芯片到量子計算機芯片 》

薛其坤，實驗物理學家、中國科學院院士、南方科技大學校長，研究方向為掃描隧道顯微學、分子束外延、自旋電子學、拓撲絕緣量子態(tài)、低維和高溫超導電性等。

基礎研究的發(fā)現往往會催生一些革命性的工業(yè)基礎，但從科學發(fā)現到最后走向產業(yè)需要很長的時間，在量子信息這種高科技領域表現得更加突出。因此，要統(tǒng)籌好基礎研究、應用基礎研究、產業(yè)商業(yè)化，也要統(tǒng)籌好長期和短期的關系。

從傳統(tǒng)計算機芯片到量子計算機芯片

現代計算技術的革命史，從原理上看是一部物理“三明治”結構的創(chuàng)新史。從半導體晶體管到超導量子比特，這一跨越近80年的歷程不僅揭示了基礎科學的深邃力量，更展現了人類對算力極限的永恒追求。在這條道路上，每一次材料的突破、每一層結構的革新，都在重塑技術邊界，為人工智能、量子信息等前沿領域奠定基石。

1 從二進制到量子態(tài)：數學與物理的雙重驅動

計算能力的躍升始終根植于數學與物理的底層邏輯。以二進制為例，冪指定義了現代信息技術的規(guī)模：2的10次方是10個2相乘，等于1024，約等于1000，可以計為10的3次方，這就是現在二進位千字節(jié)的來源。如果把這個冪指數增加到60，就約等于10的18次方，就是100億億，這是目前世界上最快的超級計算機每秒鐘處理的浮點數的數目。若指數增至70，算力將進一步突破至10萬億億次量級，這是下一代10萬億/秒浮點數這種超級計算機的處理速度。

量子計算的誕生，標志著另一維度上的范式突破。為了了解這一點，我們先談一談初級概率論。一個硬幣有正反2種狀態(tài)，記為2的1次方；2個硬幣導致4種狀態(tài)，記為2的平方；

N

N

N

N

2 半導體與超導：物理“三明治”的技術迭代

1947年，半導體場效應晶體管的發(fā)明開啟了信息時代的大門。其核心結構如同一個不對稱“三明治”——金屬電極、絕緣層與硅基半導體的結合。通過電場調控導電性，實現了數字電路的“0”與“1”。這一突破催生了集成電路與微處理器，相關成果2次榮膺諾貝爾物理學獎，并推動計算機從房間大小的龐然大物發(fā)展為掌上設備。然而，半導體技術的輝煌背后，是能耗與集成度的根本矛盾：為追求更高算力，晶體管數量呈指數增長，但這以空間與能源的巨量消耗為代價。

經典計算機的物理極限已然顯現。世界上最快的超級計算機包含的晶體管數目達到了6千萬億個、占地3畝、日均耗電50萬度，如中國天河、神威等。盡管速度已經接近每秒100億億浮點數，但體積非常龐大。

解決這樣一個問題的方案就是諾貝爾獎獲得者塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）提到的量子計算機。量子計算機的晶體管或者量子比特究竟長什么樣？這就是超導“三明治”。1962年，約瑟夫森效應揭示了超導體-絕緣體-超導體結構的量子隧穿特性。鋁-氧化鋁體系（氧化鋁為絕緣層）的“三明治”成為超導量子比特的核心載體。

3 量子計算機研制的挑戰(zhàn)與應對

當前量子計算機的研制仍處于起步階段。超導路徑雖占據主流，卻面臨制冷系統(tǒng)復雜、錯誤率高等瓶頸。需要應對的核心挑戰(zhàn)是如何將實驗室原理轉化為穩(wěn)定可控的工程技術。

盡管量子比特的結構與半導體晶體管相似，但超導量子比特須在極端低溫下才能工作，例如，以鋁為材料的超導量子比特需在接近絕對零度（-273℃）下運行，需要依賴龐大的制冷系統(tǒng)。

由于龐大的制冷系統(tǒng)，最終的量子計算機需占用1/4足球場空間。與此同時，離子阱、冷原子陣列等替代方案也在并行發(fā)展，中國在相關領域發(fā)展很快。清華大學與北京量子信息科學研究院正積極探索多技術路徑，試圖通過光子集成、拓撲量子比特等方向突破現有局限。

然而，所有路徑均需攻克同一核心難題：邏輯比特的保真度。現在的超導量子比特的出錯率大概是10?3～10?4，通用量子計算機要求邏輯錯誤率低于10?10，還有非常漫長的道路要走。半導體晶體管的出錯率大約是10?12，顯然，相對于半導體的晶體管，超導方面還有大量的工作要做。

從超導“三明治”約瑟夫森效應到可編程量子比特的發(fā)展，耗時近40年。從半導體理論到集成電路商業(yè)化也經歷了數十年沉淀。這印證了基礎研究的顛覆性潛力與產業(yè)轉化的長周期規(guī)律：即需要非常漫長的時間才能把一個原理變成真正有用的技術。量子計算機的完全實現或許需要10~20年的時間，其難度甚至超越人類首次登月，是一個國家最強科技實力的象征之一。中國已將量子信息列為戰(zhàn)略優(yōu)先領域，通過國家重點研發(fā)計劃、新型研發(fā)機構建設等舉措統(tǒng)籌基礎研究與應用開發(fā)。

基礎研究的發(fā)現往往會催生一些革命性的工業(yè)基礎，但從科學發(fā)現到最后走向產業(yè)需要很長的時間，在量子信息這種高科技領域表現得更加突出。因此，要統(tǒng)籌好基礎研究、應用基礎研究、產業(yè)商業(yè)化，也要統(tǒng)籌好長期和短期的關系。經過努力，希望有一天量子計算機能走向真正的應用，給強人工智能、通用人工智能時代提供強大的算力。

內容為【科技導報】公眾號原創(chuàng)，歡迎轉載
白名單回復后臺「轉載」

《科技導報》創(chuàng)刊于1980年，中國科協(xié)學術會刊，主要刊登科學前沿和技術熱點領域突破性的成果報道、權威性的科學評論、引領性的高端綜述，發(fā)表促進經濟社會發(fā)展、完善科技管理、優(yōu)化科研環(huán)境、培育科學文化、促進科技創(chuàng)新和科技成果轉化的決策咨詢建議。常設欄目有院士卷首語、智庫觀點、科技評論、熱點專題、綜述、論文、學術聚焦、科學人文等。

友情鏈接

中國科協(xié)之聲

中國科協(xié)官方公眾平臺。傳播科協(xié)聲音，凝聚價值共識，弘揚創(chuàng)新文化，展示科協(xié)形象。