冰箱、真空装置和激光，构成量子计算机三大要素 [科技谈]

by Lim Juhyeong

Published 27 Jan.2025 07:30(KST)

Updated 31 Jan.2025 14:28(KST)

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量子计算机需要哪些技术？
超低温、真空技术和激光是关键
与先进半导体工艺多处重叠

随着围绕量子计算机商业化的竞争在大型科技企业之间不断加剧，试图寻找“受益股”的投资者动作也变得愈发频繁。由于量子计算机刚刚露出可能性的萌芽，其供应链既陌生又极为模糊。不过，当前全球在研的大多数量子计算机，都必须配备以下三类关键设备：冰箱、真空设备和激光器。

在当前形势下，几乎不可能准确描绘出量子计算机的完整供应链，因为量子计算机本身的类型就太多了。大型科技企业和初创公司正分别以离子阱、超导体、光子学等在内的多种方式尝试制造量子计算机，谁最终胜出，目前无人知晓。

谷歌量子计算机。联合通讯社供图

不过，即便量子计算机的具体类型各不相同，它们的目标却完全一致：利用量子的叠加（粒子同时处于多种状态）或纠缠（两粒子无论距离多远都保持纠缠）状态，实现量子信息的最小单位——“量子比特（Qubit）”。

如今，谷歌、IBM、微软、IonQ、Quantinuum 等企业主要研究的是超导体和离子阱两种路线的量子计算机。差异在于：前者利用超导体的特性制造量子叠加，后者则通过微弱电磁场“捕获”量子，使其形成纠缠状态。

连接在超导量子计算机上的极低温冷却装置。可将温度冷却至超导体开始发挥作用的零下273度。Blue Force官网截图提供

前文提到，量子计算机的共通关键部件是冰箱、真空设备和激光器，其中第一项是制造超导体路线量子计算机时的必需品。

超导体若要发挥其独特性质，必须达到所谓的“临界温度”。目前已开发的大多数超导体临界温度一般在零下270度到零下200度之间，极为寒冷，因此必须使用“低温冷冻机”而非普通冰箱进行制冷。由此可见，在超导体量子计算机的制造中，低温技术实力是核心所在。

另一方面，激光器则是离子阱路线量子计算机所必需的。研究人员通过向被微弱电磁场束缚的离子化镱或钙粒子照射激光，改变其状态，从而产生量子纠缠。

封装在真空装置中的Quantinuum量子计算机。Honeywell官网截图

真空技术对这两类量子计算机同样重要。将粒子制备成量子态并实现量子比特，并不意味着工作就结束了。目前的量子计算机对周边环境极为敏感，极小的噪音、微尘甚至少量热量，都可能导致量子态坍缩。

尤其是离子阱量子计算机，由于将离子化粒子用作量子比特的原料，必须在真空空间中运行，因为离子对空气中的粒子极其敏感。超导体量子计算机虽然不像离子阱那样脆弱，但周围的噪音和污染仍会降低量子比特的质量。

有趣的是，实现量子计算机的三大核心部件，与半导体供应链颇为相似。真空技术早已广泛应用于先进半导体生产设施，也就是晶圆厂（fab）。ASML 的极紫外光（EUV）光刻机内部配备真空腔室，在为半导体晶圆表面沉积薄膜时，也必须在真空环境中进行操作。

激光器更是现代半导体工艺设备的核心。将对光敏感的材料覆盖在晶圆表面后，需要通过光刻胶（曝光）工序，用超精细激光在其上绘制半导体电路的底图。

全球最大科学激光企业之一 IPG Photonics 的量子计算机激光装置。IPG Photonics 官网提供

当然，用于半导体工艺的激光器，与量子计算机所用激光器在输出功率、波长、精度要求等方面存在明显差异。但半导体产业的成长显著推高了对激光器的需求，促使 IPG Photonics、Coherent 等大型激光企业崛起，并对量子计算机研究提供了支持。

换言之，量子计算机的开发也在一定程度上受益于半导体制造工艺的进步。目前在量子计算机开发领域走在前列的谷歌、IBM、Quantinuum 等公司，要么与半导体产业紧密合作，要么本身就长期从事计算机硬件相关业务，这显然并非巧合。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。