量子芯片冰箱背後，藏着什麼信息？

圖片來源@視覺中國

文 | 根新未來，作者 | 陳根

量子科技正在成為國之利器。作為全球矚目的前沿科技，2022年諾貝爾物理學獎就授予了三位科學家，表彰其在量子信息科學研究方面所做的貢獻。

實際上，量子技術並不是一個很新的技術，從量子力學的建立到應用，已歷時一百多年。現在，量子技術正在從實驗室走向商業市場——據安徽省量子計算工程研究中心消息，國產首個用於保存量子芯片的“冰箱”研製成功，並投入國內首條量子芯片生產線使用。

“量子芯片冰箱”意義幾何？我國的量子技術市場化又走到哪一步了？

不是真的冰箱

當然，“量子芯片冰箱”並不是真的冰箱，甚至和我們熟知的冰箱也有很大差異。

要知道，量子芯片是量子計算機的核心部件。與經典的集成電路芯片不同，集成電路芯片多用第一代半導體材料硅作為基礎，製造成各種各樣的硅基电子芯片產品，目前，集成電路芯片在智能手機、汽車、電視等終端領域廣泛應用。不過，集成電路芯片的性能也面臨摩爾定律極限的考驗。

而從理論上說，量子芯片是可以繞開傳統硅基芯片製造必備的光刻機的，量子芯片將量子線路集成在基片上，通過量子碰撞技術以進行信息的處理和傳輸，製造方面幾乎用不到光刻機。測試結果显示，量子芯片的性能至少是电子芯片的千倍以上，其應用範圍也更廣。

但困難的地方在於，量子芯片需要經過複雜的系統生產過程，像環境溫度、潔凈程度、噪聲、振動、電磁波以及微小雜質顆粒等，都會對其產生影響。

量子芯片之所以需要冰箱，正是因為量子芯片對保存環境要求極高。尤其是量子芯片中的超導材料容易和空氣中的氧氣、水分子產生化學反應，量子芯片如果不妥善保存，將會影響量子芯片的性能。就像食物暴露在空氣中“氧化腐爛”一樣，量子芯片也會因為“不新鮮”而無法使用。

如果流片過程中或者流片完成的量子芯片樣品儲存環境不達標，超導量子芯片就會吸附各類雜質，其關鍵部件——比如約瑟夫森結、超導電容等就會因此老化，導致量子比特頻率一致性變差、量子芯片相干時間降低，最終量子芯片的性能發生惡化。採用自主研發的量子芯片高真空存儲箱來放置量子芯片可避免這一問題發生。因此，為保證量子芯片的正常使用，量子芯片必須放在特定的真空容器內，並保持極低的溫度，這才有了我國首款“量子芯片冰箱”。

具體來看，我國首款“量子芯片冰箱”本質上是一個量子芯片高真空存儲箱，由安徽省量子計算工程研究中心研發，它可以為量子芯片提供高真空的保存環境，就像是“量子芯片冰箱”一樣。研發人員用它調節存儲空間的室內壓強，從而給量子芯片“保鮮”，避免其失去效用。”

此外，這款量子芯片高真空存儲箱還具有三個保存腔體，單個腔體可獨立操作；同時配備了智能監控系統，可實時監控真空度，為芯片保存過程提供穩定的高真空環境。研發人員還研發了人機交互功能界面，可實現設備全自動化操作。“量子芯片冰箱”讓量子芯片的未來儲存有了着落，而量子芯片冰箱更重要的意義，卻是在於為國內首條量子芯片生產線增添了最後一步。

今年1月底，中國第一條量子芯片生產線在安徽合肥宣布誕生，而實現這一切的是位於安徽合肥的本源量子公司。具體來看，合肥本源量子是國內第一家量子計算公司，並打造了出國內首條量子芯片生產線，在這條生產線中，本源量子打造了無損探針台，激光退火儀等多套量子芯片工業母機，還有國內首個量子芯片工業軟件“本源坤元”也出自本源量子之手。

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當前，本源量子已研發出多台中國量子計算機，並成功交付一台24比特超導量子計算機給用戶使用，使我國成為世界上第三個具備量子計算機整機交付能力的國家。這條產線2022年1月投入運營，在這一年的時間里，陸續導入24台量子芯片生產相關的工藝設備，孵化出了3套自研的量子芯片專用設備，生產了1500多個批次流片試製的產品，交付了多個批次的量子芯片以及量子放大器等產品。

科技革命的戰略制高點

當前，量子計算機被譽為新一輪科技革命的戰略制高點，能夠在眾多關鍵技術領域提供超越經典計算機極限的核心計算能力，在新材料研發、生物醫療、金融分析乃至人工智能領域將發揮重要的作用。

在過去幾年裡，量子已經從一個腳註變成了全球安全議程的首位。迄今為止，已有17個國家制定了國家量子戰略，還有4個國家正在制定這些戰略。

根據《量子計算報告（Quantum Computing Report）》，自20世紀80年代中期以來，中國在量子研究方面的投資估計為250億美元。其頂級量子科學家潘建偉在2016年領導發射了世界上第一顆量子衛星，並在2021年公布了當時創紀錄的56比特量子計算機。中國2021年3月公布的第十四個五年規劃，也將掌握量子技術作為政策重點。

事實上，對於我國來說，量子技術也是我們彎道超車不容錯過的好機會。比如，根據OpenAI披露的相關數據，在算力方面，GPT-3.5在微軟Azure AI超算基礎設施（由V100GPU組成的高帶寬集群）上進行訓練，總算力消耗約 3640PF-days，也就是說，假如每秒計算一千萬億次，都需要計算 3640 天，需要 7-8 個投資規模 30 億、算力 500P 的數據中心才能支撐運行。

龐大的算力需求也帶來了龐大的運算成本，根據國盛證券估算，以英偉達DGXA100為基礎，需要3,798台服務器，對應542個機櫃。為滿足ChatGPT當前千萬級用戶的諮詢量，初始算力投入成本約為7.59億美元。

本質上，算力問題，反映的其實是經典計算在人工智能加速發展上遇到的阻礙，尤其是算力瓶頸。一方面，在芯片製作工藝越來越接近物理極限的情況下，經典算力的提升變得越來越困難；另一方面，由於可持續發展和降低能耗的要求，使得通過增加數據中心的數量來解決經典算力不足問題的舉措也不現實。因此，提高算力的同時又能降低能耗是亟待解決的關鍵問題。在這樣的背景下，量子計算成為大幅提高算力的重要突破口。

作為未來算力跨越式發展的重要探索方向，量子計算具備在原理上遠超經典計算的強大并行計算潛力。經典計算機以比特（bit）作為存儲的信息單位，比特使用二進制，一個比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子計算機里，情況會變得完全不同，量子計算機以量子比特（qubit）為信息單位，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”。

並且，由於疊加這一特性，量子比特在疊加狀態下還可以是非二進制的，該狀態在處理過程中相互作用，即做到“既1又0”，這意味着，量子計算機可以疊加所有可能的“0”和“1”組合，讓“1”和“0”的狀態同時存在。正是這種特性使得量子計算機在某些應用中，理論上可以是經典計算機的能力的好幾倍。

可以說，量子計算機最大的特點就是速度快。以質因數分解為例，每個合數都可以寫成幾個質數相乘的形式，其中每個質數都是這個合數的因數，把一個合數用質因數相乘的形式表示出來，就叫做分解質因數。比如，6可以分解為2和3兩個質數；但如果数字很大，質因數分解就變成了一個很複雜的數學問題。1994年，為了分解一個129位的大數，研究人員同時動用了1600台高端計算機，花了8個月的時間才分解成功；但使用量子計算機，只需1秒鐘就可以破解。

一旦量子計算與人工智能結合，將產生獨一無二的價值。從可用性看，如果量子計算可以真正參與到人工智能領域，不僅將提供更強大的算力，超越現今費時費力建造的 ChatGPT 模型，而且能有效降低能耗，極大推動可持續發展。

當然，量子計算的市場化之路並不容易，首先，需要實現運算的精度，也就是發出的指令需要得到確定的結果，而不是概率。目前，量子計算機還無法達到所謂的計算精度，甚至同一個問題，用同一台量子計算機計算，最終可能每次的運算結果都不一樣。

其次，要降低量子芯片的運行環境。目前大多數量子芯片都是屬於低溫超導量子芯片，必須在零下273度左右的條件下才能運行。比如谷歌的懸鈴木量子計算機，需要的條件是零下273.12度。我國的九大量子計算機，探測部分需要的條件是零下269.12度，IBM的魚鷹量子計算機，需要的條件是零下269.15度。嚴苛的超低溫環境，極大阻礙了量子芯片技術的發展速度。

最後，要降低量子芯片的相關成本。如果要創造出零下273度的超低溫環境，就需要配合數百萬美元的製冷設備，不僅成本高昂，而且體積巨大。所以，量子芯片距離真正的商用還有很遠的路要走，預計到2030年才會進入量子商用元年，更不要說量子芯片運用到終端消費級市場了。

但無論如何，從我國的第一條量子芯片生產線，再到量子芯片冰箱，量子技術勢在必行。（本文首發鈦媒體APP）

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