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“量子芯片冰柜”本質(zhì)上是一個量子芯片高真空儲存箱，它可以為量子芯片提供高真空的保存環(huán)境，如同是冰柜一樣。
近些年來，量子科技發(fā)展突飛猛進，已成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的前沿領(lǐng)域，對推動高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全具有十分重要的作用。量子計算機甚至被稱為“信息時代原子彈”，已成為全球多國國家戰(zhàn)略。
微軟曾稱，其研制的量子計算機成功在3分20秒時間內(nèi)，完成傳統(tǒng)計算機需1萬年時間處理的問題，并宣稱是全球首次實現(xiàn)“量子霸權(quán)”；復(fù)旦學(xué)院副院長、中國科大學(xué)教授薛其坤說，目前全球一年形成的數(shù)據(jù)須要百億TB的儲存量就能完成，而未來的量子儲存設(shè)備，可能只需趾甲蓋大小就能儲存人類幾百年的信息數(shù)據(jù)……如此看來，量子估算技術(shù)早已成為未來科技的重要發(fā)展趨勢。而量子芯片作為量子計算機的核心部件，則成為了業(yè)界關(guān)注的重點。
與傳統(tǒng)精典集成電路芯片不同，量子芯片須要經(jīng)過復(fù)雜的系統(tǒng)生產(chǎn)過程，像環(huán)境濕度、潔凈程度、噪聲、振動、電磁波以及微小雜質(zhì)顆粒等，還會對量子芯片形成影響。為此，來自廣東省量子估算工程研究中心的團隊，成功研發(fā)出國產(chǎn)首個用于保存量子芯片的“冰箱”，并投入國外首列量子芯片生產(chǎn)線使用。這讓我國在量子芯片的研制和系統(tǒng)生產(chǎn)中取得了明顯優(yōu)勢。
這么，這款“量子芯片冰柜”意義幾何？我國的量子技術(shù)市場化又將怎樣發(fā)展？明天，請追隨《中國科技信息》一上去說說那些問題。
量子芯片是量子計算機的核心
量子芯片是量子計算機的核心部件。在量子估算中，作為量子信息單位的是量子比特，量子比特與精典比特相像，只是降低了化學(xué)原子的量子特點。因為量子比特具有量子性，因而量子比特包含信息更多，且有望實現(xiàn)更快的估算速率。對比來看，一臺30個量子比特的量子計算機的估算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的精典計算機水平相當(dāng)。據(jù)科學(xué)家恐怕，一臺50比特的量子計算機，在處理一些特定問題時，估算速率將趕超現(xiàn)有最強的超級計算機。
這么看來，作為“未來100年內(nèi)最重要的計算機技術(shù)”“第四次工業(yè)革命的引擎”，量子估算對于好多人來說，如同是屬于未來的“黑科技”，代表著人類技術(shù)水平在想像力所及范圍之內(nèi)的顛峰。世界各國紛紛布局量子估算并取得不同成就后否認(rèn)，量子估算似乎仍然“停在未來”，但“未來可期”。
而量子芯片作為量子計算機最核心的部份，則成為了目前該領(lǐng)域人們討論的重中之重，量子芯片是執(zhí)行量子估算和量子信息處理的硬件裝置。但因為量子估算遵守量子熱學(xué)的規(guī)律和屬性，傳統(tǒng)的精典集成電路芯片而言，量子芯片在材料、工藝、設(shè)計、制造、封測等方面的要求和實現(xiàn)路徑上都存在一定差別。
傳統(tǒng)集成電路芯片主要指精典計算機的硅基半導(dǎo)體芯片，它基于半導(dǎo)體制造工藝鍺與量子通訊，采用硅、砷化鎵、鍺等半導(dǎo)體材料。而想要實現(xiàn)對于量子芯片中的量子比特的精確控制，對環(huán)境要求嚴(yán)苛，除了要超高溫，還要“超潔凈”，非常微弱的噪音、振動、電磁波和微小雜質(zhì)顆粒就會攪亂訊號，這對于量子芯片的材料和設(shè)計提出了更高的要求。
用“冰箱”為量子芯片“保鮮”
量子芯片的系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，須要經(jīng)過復(fù)雜的系統(tǒng)生產(chǎn)過程，對于環(huán)境的要求也非?！翱量獭保热巛^為重要的超導(dǎo)材料對環(huán)境敏感度較高，在制做和儲存過程中假如環(huán)境不達(dá)標(biāo)，就容易和空氣中的二氧化碳、水分子形成物理反應(yīng)，吸附各種雜質(zhì)。
同時，假如流片過程中或則流片完成的量子芯片樣品存放環(huán)境不達(dá)標(biāo)，超導(dǎo)量子芯片才會吸附各種雜質(zhì)，其關(guān)鍵部件——比如約瑟夫森結(jié)、超導(dǎo)電容等都會為此老化，致使量子比特頻度一致性變差、量子芯片相干時間減少，最終量子芯片的性能發(fā)生惡化。因而，假如量子芯片沒有妥善貯存，都會像食物曝露在空氣中“氧化霉?fàn)€”一樣，量子芯片也會由于“不新鮮”而難以使用。
為此，怎么保證量子芯片的系統(tǒng)生產(chǎn)，以及怎樣讓量子芯片“保鮮”，成為了擺在科研人員面前的第一道困局。
對此，我國科研人員自主研制了量子芯片高真空儲存箱來放置量子芯片，這就是我國首款“量子芯片冰柜”?！傲孔有酒瘛北举|(zhì)上是一個量子芯片高真空儲存箱，由廣東省量子估算工程研究中心研制，它可以為量子芯片提供高真空的保存環(huán)境，如同是冰柜一樣。研制人員用它調(diào)節(jié)儲存空間的室外浮力，因而給量子芯片“保鮮”，防止其喪失效用。
據(jù)悉，這款量子芯片高真空儲存箱還具有三個保存腔體，單個腔體可獨立操作；同時配備了智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實時監(jiān)控真空度，為芯片保存過程提供穩(wěn)定的高真空環(huán)境。研制人員還研制了人機交互功能界面，可實現(xiàn)設(shè)備全手動化操作?？梢哉f，“量子芯片冰柜”讓量子芯片的未來存放有了盼頭。
我國量子芯片商用將加速發(fā)展
當(dāng)前，量子計算機被譽為新一輪科技革命的戰(zhàn)略制高點，才能在諸多關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域提供趕超精典計算機極限的核心估算能力，在新材料研制、生物醫(yī)療、金融剖析乃至人工智能領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要的作用。
早在2020年末，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉團隊等人就成功建立76個光子的量子估算靶機“九章”，成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。其估算5000萬樣本的高斯玻色采樣的速率只須要200秒，而目前的超級計算機須要歷時6年。九章的誕生，將全球量子估算前沿研究推向了一個新的高度，其強悍算力在數(shù)論、機器學(xué)習(xí)、量子物理等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。
此后，濟南本源量子計算機的交付，也讓我國成為了世界上第三個具備量子計算機整機交付能力的國家，也是繼實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”之后，又一次確立了在國際量子估算研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
2022年1月，我國首列量子芯片生產(chǎn)線投入營運，相繼導(dǎo)出24臺量子芯片生產(chǎn)相關(guān)的工藝設(shè)備，孵化出了3套自研的量子芯片專用設(shè)備，生產(chǎn)了1500多個批次流片試制的產(chǎn)品，交付了多個批次的量子芯片以及量子放大器等產(chǎn)品。
而明年1月，“量子芯片冰柜”的問世，讓量子芯片的未來存放有了盼頭，而量子芯片冰柜更重要的意義，卻是在于為國外首列量子芯片生產(chǎn)線平添了最后一步。
其實，隨著我國在量子芯片領(lǐng)域的不斷突破鍺與量子通訊，量子芯片的商用將得到加速發(fā)展，并且仍然須要時間沉淀。就全球而言，學(xué)術(shù)界普遍覺得，真正實現(xiàn)可編程通用量子計算機還需15年甚至更久，但在新政的推進、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級和資本的不斷加持下，規(guī)模化與商業(yè)化的量子估算將加速到來。