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兒時常玩的“搭積木”游戲中，我們用不同大小和形狀的積木搭建出城堡、橋梁等奇妙構(gòu)造。而量子計(jì)算領(lǐng)域中，看似神秘的量子芯片又是如何制造的？量子芯片也可以通過“搭積木”的方法實(shí)現(xiàn)嗎？

▲樂高電影中的科學(xué)家

什么是量子芯片？

量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)原理構(gòu)建的計(jì)算系統(tǒng)，其核心硬件是量子芯片。類比經(jīng)典計(jì)算機(jī)中CPU與整機(jī)的關(guān)系，具體而言：

● 量子芯片：承載量子比特（Qubit）的物理載體，負(fù)責(zé)量子態(tài)的生成、操控與讀取，是量子計(jì)算機(jī)的“計(jì)算核心”。

● 量子計(jì)算機(jī)：包含量子芯片、低溫控制系統(tǒng)、測控電子學(xué)系統(tǒng)（信號處理）及量子軟件棧（算法與糾錯）的完整系統(tǒng)。

簡言之，量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的“心臟”，在和外圍系統(tǒng)協(xié)同工作，解決某些特定問題時，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力。

量子芯片如何“搭積木”？

如果將量子芯片比作我們想要搭建的“城堡”，那么具有不同功能的量子器件就如同那些形態(tài)各異的“積木塊”。借助帶有黏性的微橡皮圖章或微操縱桿，我們可以精準(zhǔn)地拾取這些“積木塊”，并將它們組裝到“地基”上——也就是量子芯片的物質(zhì)載體，最終堆疊成三維混合構(gòu)架的量子芯片。而精心設(shè)計(jì)的耦合接口，就如同積木間的“凹槽”與“凸起”，能夠高效地實(shí)現(xiàn)芯片的互聯(lián)。

▲樂高積木

由于不同材料各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢屬性，這些“積木塊”難以僅用單一材料完成全部制造。而“搭積木”的方案，正是通過結(jié)合各種材料的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)取長補(bǔ)短，從而構(gòu)建出功能完備、綜合性能卓越的量子芯片。

▲用“搭積木”方案制備量子芯片的過程

量子芯片搭建中的難點(diǎn)

搭積木時經(jīng)常會遇到積木倒塌的情況，類似地，量子芯片搭建的難點(diǎn)主要集中在兩個方面：

難點(diǎn)1：納米級精度的器件對準(zhǔn)

量子芯片搭建中的器件堆疊需要納米級精度的器件對準(zhǔn)（偏移量<100 nm），“搭積木”是出現(xiàn)毫米級誤差可能導(dǎo)致“城堡”最終倒塌。對準(zhǔn)誤差會引起較高的傳輸損耗，進(jìn)而影響量子態(tài)的保真度。為此，科學(xué)家采用高精度的微轉(zhuǎn)印操作系統(tǒng)，可以提升搭建精度，達(dá)到光學(xué)分辨率極限?；蛘卟捎镁劢闺x子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）中的微操縱桿，借助集成的掃描電子顯微成像系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的芯片搭建。

難點(diǎn)2：大規(guī)模的量子芯片搭建

目前，部分量子芯片的制備還處于一種手工或半手工的狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、自動化、晶圓級的量子芯片搭建。為了解決這個問題，科學(xué)家借鑒微電子芯片制造的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)適用于量產(chǎn)的設(shè)備和規(guī)范化的工藝流程，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效的量子芯片制造。

量子芯片助力量子計(jì)算機(jī)性能提升

2019年，美國谷歌推出的53個量子比特懸鈴木（Sycamore）芯片，在全球首個實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的芯片，激發(fā)全球量子競賽，后續(xù)迭代推動錯誤率優(yōu)化與邏輯比特擴(kuò)展。2022年，牛津Ionics離子阱量子芯片采用離子阱技術(shù)實(shí)現(xiàn)256量子比特操控，支持標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工廠量產(chǎn)，其技術(shù)核心為高保真門操作與模塊化擴(kuò)展設(shè)計(jì)。2024年，谷歌推出“垂柳”（Willow）芯片，量子比特T1時間達(dá)100微秒（較前代提升5倍），錯誤率降低兩倍，邏輯量子比特擴(kuò)展能力顯著增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)“低于閾值”的糾錯成就，為容錯量子計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

我國在量子芯片制備技術(shù)的提升，也在持續(xù)助力超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和光量子計(jì)算機(jī)各項(xiàng)性能的進(jìn)展。

在美國谷歌發(fā)布“垂柳”（Willow）芯片一周后，中國推出105量子比特的“祖沖之三號”量子芯片，運(yùn)算能力與穩(wěn)定性匹敵國際頂尖水平，推動量子計(jì)算實(shí)用化進(jìn)程[1]。

▲“祖沖之三號”量子芯片

2025年，北京大學(xué)與山西大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次在集成光量子芯片上實(shí)現(xiàn)“連續(xù)變量”量子糾纏簇態(tài)，解決了傳統(tǒng)離散變量編碼隨比特數(shù)增加成功率指數(shù)下降的難題，是可擴(kuò)展光量子信息處理的重要里程碑[2]。

近期，中國團(tuán)隊(duì)基于半導(dǎo)體自組裝量子點(diǎn)與可調(diào)諧微腔耦合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效率71.2%的確定性單光子源，首次超越量子計(jì)算容失閾值（2/3），目前各類確定性單光子源系統(tǒng)中的最高值，在量子通信、量子計(jì)算等量子信息場景中具有廣闊應(yīng)用前景[3]。