光靠“搭积木”就能造出量子芯片？ | 十万个量子为什么（十一）

▲乐高电影中的科学家

量子计算机是基于量子力学原理构建的计算系统，其核心硬件是量子芯片。类比经典计算机中CPU与整机的关系，具体而言：

● 量子芯片：承载量子比特（Qubit）的物理载体，负责量子态的生成、操控与读取，是量子计算机的“计算核心”。

● 量子计算机：包含量子芯片、低温控制系统、测控电子学系统（信号处理）及量子软件栈（算法与纠错）的完整系统。

简言之，量子芯片是量子计算机的“心脏”，在和外围系统协同工作，解决某些特定问题时，能实现远超经典计算机的算力。

如果将量子芯片比作我们想要搭建的“城堡”，那么具有不同功能的量子器件就如同那些形态各异的“积木块”。借助带有黏性的微橡皮图章或微操纵杆，我们可以精准地拾取这些“积木块”，并将它们组装到“地基”上——也就是量子芯片的物质载体，最终堆叠成三维混合构架的量子芯片。而精心设计的耦合接口，就如同积木间的“凹槽”与“凸起”，能够高效地实现芯片的互联。

▲乐高积木

由于不同材料各自具有独特的优势属性，这些“积木块”难以仅用单一材料完成全部制造。而“搭积木”的方案，正是通过结合各种材料的优势，实现取长补短，从而构建出功能完备、综合性能卓越的量子芯片。

搭积木时经常会遇到积木倒塌的情况，类似地，量子芯片搭建的难点主要集中在两个方面：

难点1：纳米级精度的器件对准

量子芯片搭建中的器件堆叠需要纳米级精度的器件对准（偏移量<100 nm），“搭积木”是出现毫米级误差可能导致“城堡”最终倒塌。对准误差会引起较高的传输损耗，进而影响量子态的保真度。为此，科学家采用高精度的微转印操作系统，可以提升搭建精度，达到光学分辨率极限。或者采用聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）中的微操纵杆，借助集成的扫描电子显微成像系统，可以实现更高精度的芯片搭建。

难点2：大规模的量子芯片搭建

目前，部分量子芯片的制备还处于一种手工或半手工的状态，难以实现大规模、自动化、晶圆级的量子芯片搭建。为了解决这个问题，科学家借鉴微电子芯片制造的经验，开发适用于量产的设备和规范化的工艺流程，以实现大规模、高效的量子芯片制造。

2019年，美国谷歌推出的53个量子比特悬铃木（Sycamore）芯片，在全球首个实现量子优越性的芯片，激发全球量子竞赛，后续迭代推动错误率优化与逻辑比特扩展。2022年，牛津Ionics离子阱量子芯片采用离子阱技术实现256量子比特操控，支持标准半导体工厂量产，其技术核心为高保真门操作与模块化扩展设计。2024年，谷歌推出“垂柳”（Willow）芯片，量子比特T1时间达100微秒（较前代提升5倍），错误率降低两倍，逻辑量子比特扩展能力显著增强，实现“低于阈值”的纠错成就，为容错量子计算奠定基础。

我国在量子芯片制备技术的提升，也在持续助力超导量子计算机和光量子计算机各项性能的进展。

在美国谷歌发布“垂柳”（Willow）芯片一周后，中国推出105量子比特的“祖冲之三号”量子芯片，运算能力与稳定性匹敌国际顶尖水平，推动量子计算实用化进程[1]。

▲“祖冲之三号”量子芯片

▲单光子源系统示意图