現代計算技術的革命史，從原理上看是一部物理“三明治”結構的創新史。從半導體晶體管到超導量子比特，每一次材料的突破、每一層結構的革新，都在重塑技術邊界。

第二十七屆中國科協年會于7月1日-31日在北京集中舉辦，本屆年會以“示蹤科技前沿 助力創新發展”為主題。中國科協會刊《科技導報》特推出年會專刊，并邀請到了實驗物理學家薛其坤院士撰寫卷首語《從傳統計算機芯片到量子計算機芯片》，深入剖析從二進制到量子態的突破、半導體與超導“三明治”的技術迭代，直面量子計算機研制“難度超越登月”的核心挑戰，并展望未來圖景。我們特此摘錄，以饗讀者。

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、低維和高溫超導電性等。

從傳統計算機芯片到量子計算機芯片

薛其坤

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。

從二進制到量子態：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，記為2的1次方；2個硬幣導致4種狀態，記為2的平方；N枚硬幣，則產生2的N次方狀態。如果N=60，則產生的狀態數差不多等于10的18次方，即100億億種狀態。量子計算機是物理上通過量子疊加或量子糾纏，同時操控N個量子比特（量子硬幣）的2N種狀態，實現指數級并進行運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。按照上面的介紹，60個邏輯比特的理想量子計算機的算力即可匹敵傳統超級計算機。所以，量子計算機背后的科學原理就是指數加速原理。

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。

量子計算機研制的挑戰與應對

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，卻面臨制冷系統復雜、錯誤率高等瓶頸。需要應對的核心挑戰是如何將實驗室原理轉化為穩定可控的工程技術。

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。

由于龐大的制冷系統，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展，中國在相關領域發展很快。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展，耗時近40年。從半導體理論到集成電路商業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轉化的長周期規律：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略優先領域，通過國家重點研發計劃、新型研發機構建設等舉措統籌基礎研究與應用開發。

基礎研究的發現往往會催生一些革命性的工業基礎，但從科學發現到最后走向產業需要很長的時間，在量子信息這種高科技領域表現得更加突出。因此，要統籌好基礎研究、應用基礎研究、產業商業化，也要統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。

供　　稿：科技導報社

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