量子芯片能挑起算力大梁吗?

作者:admin  来源:中国科学院半导体研究所  发布时间:2023-11-21  访问量:8735

随着人工智能产业快速发展,各行各业对算力的需求激增,业内亟需能满足海量数据处理需求的全新的计算模式。

量子计算以其独特的并行性、叠加性和纠缠性,被视为下一代海量数据处理的重要技术方向之一。其中,量子芯片作为实现量子计算的核心部件,是解决海量数据处理难题的关键所在。

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量子芯片强在哪里?

量子芯片究竟强大在何处?

据了解,量子芯片是利用量子力学原理实现信息的存储、处理和计算,其最核心的是量子比特。相比传统的比特只能存储0或1两种状态,量子比特可以同时处于0和1这两种状态的叠加态,这使得量子芯片能够实现并行计算和高效的信息处理。

量子芯片不仅能提供更高效的信息处理能力,还能突破传统芯片存在的技术瓶颈。

首先,在量子芯片上执行逻辑运算、存储及处理信息时,信息的编码、存储和读取都是利用量子叠加和量子纠缠来实现的。因此,在量子芯片上实现逻辑运算可以通过制备一对或多个处于纠缠态的量子比特来实现,而在传统芯片上则需要复杂的电路和算法才能实现。

其次,量子芯片还具有更高的容错性和鲁棒性。在传统芯片上,一个比特的错误可能会导致整个计算过程的失败,而在量子芯片上,一个比特的错误只会影响该比特所存储的信息,不会对计算过程产生太大影响。

最后,在具备诸多优势的同时,量子芯片的制造并不复杂。量子芯片的工艺能够与现有集成电路工艺兼容,因此可以借鉴现有比较成熟的集成电路工艺体系,将其迁移到量子芯片工艺后再做一些改动,便可直接进行生产,能够节省前期研发时间成本。

因此,量子芯片被视为一种具有重要潜力的芯片制造技术,可以解决传统半导体芯片制造技术所面临的一些技术瓶颈,并且有望实现更高效、更强大的计算能力。

两大技术分支被业界看好

据了解,硅基量子比特芯片、离子阱量子比特芯片以及超导量子比特芯片等是目前量子芯片的主流研究方向。其中,硅基量子比特芯片以及超导量子比特芯片是目前最受关注的两大技术分支,业内一些企业已经取得了成绩。

硅基量子比特芯片是利用硅材料的特殊性质,将单个电子嵌入硅晶格中,实现硅基量子比特的制备。这种技术在制造上的成本相对较低,且与传统半导体工业有天然的衔接。

量子芯片技术的特点在于利用其原本的生产线工艺,实现了大规模集成,并通过提高比特的操控温度,从MK提升到K级,使得量子芯片的集成化加工更近一步。

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英特尔量子芯片Tunnel Falls(图片来源:英特尔)

超导量子比特芯片是量子芯片领域的另一个重要分支,其核心是利用超导材料的独特性质来提高量子比特的操作性能。超导量子芯片同样可以看作量子芯片的一种演进形式,通过引入超导技术,加强了量子比特的稳定性和可控性,从而更好地适应量子计算的需求。

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IBM量子芯片规划图(图片来源:IBM)

运行环境严苛成主要发展瓶颈

虽然,量子芯片被视为处理海量数据的新路径,但距离大规模应用,依旧需要时间。

据了解,量子芯片需要在低温环境下运行,从而降低热噪声和减少环境干扰,并保持量子比特的稳定性和相干性。量子比特在高温下容易受到环境中的噪声干扰,这种噪声会破坏量子比特的叠加态,导致信息丢失。为了减少这种干扰,量子芯片需要在-273℃左右的极低温度下运行。在这个温度下,系统中粒子之间的相互作用非常微弱,因此热噪声和环境干扰对量子比特的影响会降到最低。然而,实现这种低温环境需要使用特定的设备,如稀释式冰箱,这种设备不仅体积庞大,而且价格昂贵能耗巨大。

为保证量子芯片能够在低温环境下正常运行,可以尝试使用在低温状态表现较为突出的材料。例如,在超导量子比特芯片领域,钽和铌是两种备受关注的关键材料。它们具有优异的超导性能,常被用作超导线圈和超导磁体等超导器件的核心材料。同时,钽和铌的超导性能在低温下表现突出。在极低的温度下,这些材料中的电子能够形成库珀对,从而具有零电阻和抗磁性的特性。这一特性使得钽和铌在制造高性能量子芯片方面具有巨大潜力。此外,使量子芯片能够在常态环境下运行,是实现量子芯片规模化应用的关键。业内专家说:“目前,量子芯片只能在一些特殊的领域采用,难以像手机芯片一样供人们大规模使用。因此,寻找一种可以在常温、常压下运行的量子芯片也是当前的研究重点。”