为芯片“保鲜”！国产首个“量子芯片冰箱”背后有何“玄机”？

“量子芯片冰箱”本质上是一个量子芯片高真空存储箱，它可以为量子芯片提供高真空的保存环境，就像是冰箱一样。

近年来，量子科技发展突飞猛进，已成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。量子计算机甚至被称为“信息时代原子弹”，已成为全球多国国家战略。

谷歌曾称，其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内，完成传统计算机需1万年时间处理的问题，并声称是全球首次实现“量子霸权”；清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤说，目前全球一年产生的数据需要百亿TB的存储量才能完成，而未来的量子存储设备，可能只需指甲盖大小就能存储人类几百年的信息数据……如此看来，量子计算技术已经成为未来科技的重要发展趋势。而量子芯片作为量子计算机的核心部件，则成为了业界关注的重点。

与传统经典集成电路芯片不同，量子芯片需要经过复杂的系统生产过程，像环境温度、洁净程度、噪声、振动、电磁波以及微小杂质颗粒等，都会对量子芯片产生影响。因此，来自安徽省量子计算工程研究中心的团队，成功研制出国产首个用于保存量子芯片的“冰箱”，并投入国内首条量子芯片生产线使用。这让我国在量子芯片的研发和系统生产中取得了显著优势。

那么，这款“量子芯片冰箱”意义几何？我国的量子技术市场化又将如何发展？今天，请跟随《中国科技信息》一起来聊聊这些问题。

量子芯片是量子计算机的核心

量子芯片是量子计算机的核心部件。在量子计算中，作为量子信息单位的是量子比特，量子比特与经典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。由于量子比特具有量子性，因此量子比特包含信息更多，且有望实现更快的计算速度。对比来看，一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当。据科学家估计，一台50比特的量子计算机，在处理一些特定问题时，计算速度将超越现有最强的超级计算机。

如此看来，作为“未来100年内最重要的计算机技术”“第四次工业革命的引擎”，量子计算对于很多人来说，就像是属于未来的“黑科技”，代表着人类技术水平在想象力所及范围之内的巅峰。世界各国纷纷布局量子计算并取得不同成就后证实，量子计算虽然一直“停在未来”，但“未来可期”。

而量子芯片作为量子计算机最核心的部分，则成为了目前该领域人们讨论的重中之重，量子芯片是执行量子计算和量子信息处理的硬件装置。但由于量子计算遵循量子力学的规律和属性，传统的经典集成电路芯片而言，量子芯片在材料、工艺、设计、制造、封测等方面的要求和实现路径上都存在一定差异。

传统集成电路芯片主要指经典计算机的硅基半导体芯片，它基于半导体制造工艺，采用硅、砷化镓、锗等半导体材料。而想要实现对于量子芯片中的量子比特的精确控制，对环境要求苛刻，不仅要超低温，还要“超洁净”，极其微弱的噪声、振动、电磁波和微小杂质颗粒都会扰乱信号，这对于量子芯片的材料和设计提出了更高的要求。

用“冰箱”为量子芯片“保鲜”

量子芯片的系统生产过程中，需要经过复杂的系统生产过程，对于环境的要求也十分“苛刻”，例如较为重要的超导材料对环境敏感度较高，在制作和存储过程中如果环境不达标，就容易和空气中的氧气、水分子产生化学反应，吸附各类杂质。

同时，如果流片过程中或者流片完成的量子芯片样品储存环境不达标，超导量子芯片就会吸附各类杂质，其关键部件——比如约瑟夫森结、超导电容等就会因此老化，导致量子比特频率一致性变差、量子芯片相干时间降低，最终量子芯片的性能发生恶化。因此，如果量子芯片没有妥善储存，就会像食物暴露在空气中“氧化腐烂”一样，量子芯片也会因为“不新鲜”而无法使用。

因此，如何保证量子芯片的系统生产，以及如何让量子芯片“保鲜”，成为了摆在科研人员面前的第一道难题。

对此，我国科研人员自主研发了量子芯片高真空存储箱来放置量子芯片，这就是我国首款“量子芯片冰箱”。“量子芯片冰箱”本质上是一个量子芯片高真空存储箱，由安徽省量子计算工程研究中心研发，它可以为量子芯片提供高真空的保存环境，就像是冰箱一样。研发人员用它调节存储空间的室内压强，从而给量子芯片“保鲜”，避免其失去效用。

此外，这款量子芯片高真空存储箱还具有三个保存腔体，单个腔体可独立操作；同时配备了智能监控系统，可实时监控真空度，为芯片保存过程提供稳定的高真空环境。研发人员还研发了人机交互功能界面，可实现设备全自动化操作。可以说，“量子芯片冰箱”让量子芯片的未来储存有了着落。

我国量子芯片商用将加速发展

当前，量子计算机被誉为新一轮科技革命的战略制高点，能够在众多关键技术领域提供超越经典计算机极限的核心计算能力，在新材料研发、生物医疗、金融分析乃至人工智能领域将发挥重要的作用。

早在2020年底，中国科学技术大学潘建伟团队等人就成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。其计算5000万样本的高斯玻色取样的速度只需要200秒，而目前的超级计算机需要耗时6年。九章的诞生，将全球量子计算前沿研究推向了一个新的高度，其超强算力在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。

随后，合肥本源量子计算机的交付，也让我国成为了世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家，也是继实现“量子优越性”之后，又一次确立了在国际量子计算研究领域的领先地位。

2022年1月，我国首条量子芯片生产线投入运营，陆续导入24台量子芯片生产相关的工艺设备，孵化出了3套自研的量子芯片专用设备，生产了1500多个批次流片试制的产品，交付了多个批次的量子芯片以及量子放大器等产品。

而今年1月，“量子芯片冰箱”的问世，让量子芯片的未来储存有了着落，而量子芯片冰箱更重要的意义，却是在于为国内首条量子芯片生产线增添了最后一步。

总之，随着我国在量子芯片领域的不断突破，量子芯片的商用将得到加速发展，但是仍旧需要时间沉淀。就全球而言，学术界普遍认为，真正实现可编程通用量子计算机还需15年甚至更久，但在政策的推动、相关产业的升级和资本的不断加持下，规模化与商业化的量子计算将加速到来。