产品揭秘丨超导量子芯片少微：标准化、高性能、扩展性强

 

由于具备在原理上远超经典计算的强大并行计算潜力，量子计算被认为能够带来指数级别的算力增长，解决目前算力受限的许多复杂难题，成为未来算力跨越式发展的重要探索方向。

 

在量子计算众多的硬件体系中，超导量子技术由于更加稳定、量子比特更易扩展，同时还可复用目前比较成熟的半导体加工技术，被认为是当前最具发展前景的路线之一，因此也成为许多公司和研究机构重点关注的方向。

 

 

超导量子技术受关注

标准化芯片生产成稀缺能力

 

在超导量子技术体系中，超导量子芯片（QPU）被认为是超导量子计算机的“心脏”。与经典计算机中的中央处理器CPU不同，QPU是一种基于超导材料制造的量子芯片，以超导量子比特为基本运算单元来实现量子计算，具有相干时间长、操作速度快、保真度高等优势。

 

 

但另一方面，纵观全球，具有标准化超导量子芯片生产能力的公司，却非常稀缺。生产一款标准化的超导量子芯片，意味着有能力采用统一且可重复的设计来完成量产，因此也往往面临着诸多挑战：

 

第一，相比传统计算机芯片，量子芯片的设计更为复杂。由于量子比特会受到环境影响产生量子噪声，进而影响量子逻辑门的操作精度，使得量子芯片的设计与实现，比传统芯片要困难很多。

 

第二，材料选择和制造工艺的限制。超导量子芯片需要使用高质量的超导材料，如铝、铜和铌等。这些材料的选择、制备和处理对芯片性能至关重要。此外，制造超导量子芯片还需要精密的微纳加工工艺和高精度的控制技术，以实现复杂的量子比特结构和电路连接。

 

第三，量子比特的一致性和稳定性难以保证。超导量子比特的一致性和稳定性，是实现可靠量子计算的关键。在标准化生产中，如何通过精确的控制和校正技术，实现高一致性的量子比特和稳定的操作，对于量产制造来说是一个很大的挑战。

 

第四，测量和控制技术的限制。在标准化生产中，如何实现可靠的测量和控制技术，以提高量子芯片的性能和可靠性，也是一项不小的技术挑战。

 

 

全链条一体化

保障量子芯片标准化生产

 

2023年4月，量旋科技对外发布了超导量子芯片少微，这也是全球为数不多标准化、量产型的超导量子芯片产品。

 

标准化、量产型的超导量子芯片-少微正式发布

 

为了达到这一标准，量旋科技的科学家和工程师们，制定了标准化的芯片设计和制造过程，选用了高质量的原材料供应链，对生产设备和工艺参数的稳定性进行严格把控，依靠高精度的量子测控设备及测控流程，最终确保了量子芯片产品的稳定性和一致性，而这也为大规模生产奠定了坚实的基础。

 

相比其他技术体系，超导量子系统可以通过灵活的设计来定义量子比特的性能，因此，结合目前主流的二维网状阵列结构，可以轻松实现数百比特的设计，是目前扩展方案最好的体系之一。

 

此外，超导量子芯片与传统半导体技术的兼容性强，在设备、工艺、材料等方面采用的都是目前半导体产业成熟的工艺技术。这也意味着，超导量子芯片具备大规模生产的产业链基础。

 

量旋科技自主投资建设的超导量子芯片实验室

 

目前在整体流程方面，量旋科技已经完成了从芯片设计、制造、封装、测试到产品交付的全链条覆盖，拥有了专用的量子芯片生产线，可以提供全方位、一体化的量子芯片解决方案。

 

 

T1时间高达100微秒

计算结果更加准确

 

由于量子态具有相干性，如果有外界干扰，会失去相干性，产生退相干。因此，退相干时间往往是评估一款量子芯片性能的重要指标之一，通俗来讲，就是量子比特的寿命。在量子计算过程中，长退相干时间，意味着能更好的保持量子态的稳定性，为算法的执行提供更长的时间窗口，进而提高计算结果的准确性。

 

 

少微的退相干时间T1，达到了业内领先的10-100微秒，从而能够更好地降低误差率，减少量子比特之间的相互作用，进而提高量子计算的可靠性和稳定性。

 

为了实现长T1时间，量旋的科学家们采取了多项策略。

 

首先，优化了材料选择，采用高质量超导材料以减小能量损耗。其次，通过改进量子比特和相关电路的设计，减小了高损耗界面的参与率。此外，严格控制制造过程，确保环境的清洁和无污染，采用先进的技术如离子束轰击法和超高真空电子束蒸镀，提高材料的纯度和均匀性，进一步降低表面缺陷。

 

利用超高真空电子束镀膜机，蒸镀高质量的超导金属薄膜

 

量子芯片的高性能，不仅体现在T1时间上，还表现在出色的门保真度和计算速度上。

 

在门保真度方面，少微能够实现99%以上的单比特门保真度。这一指标的实现，首先就要求量子芯片有较长的T1，此外，还需要通过一系列精确的超导量子比特测控流程进行测试和标定。比如，为了有效隔绝噪声，需要保证超导量子芯片在10 mK的极低温环境中工作，同时为了降低热噪声带来的误差，还需要使用0 dB衰减器，代替普通低温射频线等手段。而为了隔绝磁场噪声，量旋的工程师们还在制冷系统内，加装了高磁导率的磁屏蔽装置。

 

在计算速度方面，量旋少微能够执行数十纳秒量级的两比特门操作，从而实现更快的量子计算速度。这得益于工程师们对芯片设计的优化，兼顾了比特间耦合强度和对串扰抑制的平衡，从而大大提升了量子计算的效率和速度。

 

 

对芯片进行曝光、显影，制备高精度百纳米百量级图形

 

 

应用场景广阔

助力加速量子计算产业化

 

值得一提的是，作为一款量产型超导量子芯片，此次发布的“少微”，包含2比特/10比特/20比特三款型号，能够分别在不同的应用场景发挥作用。

 

此次发布的“少微”，包含2比特/10比特/20比特三款型号

 

以2比特产品为例，可以用以验证量子算法，探索量子计算优势，助力量子计算教学和基础研究。例如对于高校来说，量子计算作为新兴的朝阳领域，培养专业人才对于推动整个行业发展至关重要。通过引入超导量子计算机，帮助学生通过实践操作掌握量子计算机的工作原理，在未来推进量子计算机的进一步研发和在实际行业中的应用。

 

对于研究机构和实验室来说，“少微”可以在基础研究、技术开发和原型验证等方面发挥重要作用，帮助研究人员解决复杂问题并推动学术进展，验证新的量子计算方法和算法的可行性，从而为量子计算进一步的实际应用奠定基础。

 

 

相比于2比特量子芯片，10比特和20比特的量子芯片，可以用来运行更多、更复杂的量子算法，包括可以在诸如量子化学、量子模拟、密码学等特定计算任务场景中，提供更高的算力支持。

 

例如，在材料科学和药物研发领域，可以用于模拟和优化复杂的分子结构和反应，改进现有的算法和解决方案。在金融领域，结合特定的量子算法模型，可以提供更准确的预测和决策支持……

 

今天，越来越多的企业和组织，开始关注量子计算技术的使用，希望在未来激烈的市场竞争中，获得先发优势。

 

而未来，随着量子比特数扩展和性能的提升，我们将见证量子芯片在更广泛的领域得到应用，例如优化供应链和物流、复杂系统的优化和规划、人工智能的训练和优化等，进而为量子计算的发展和商业化进程提供重要的支持。

 

 

 

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