在當今數字世界中，RSA?2048與ECC等經典公鑰密碼是最廣泛應用的加密標準，支撐著網絡安全、金融交易和隱私保護的底層信任。然而，這一基石正面臨量子計算的潛在威脅。

理論上，量子計算機能夠以遠快于經典計算機的速度分解大整數和離散對數求解，從而在短時間內破解RSA和ECC加密。這一前景既令人興奮，也令人擔憂。

問題在于，量子計算機的發展究竟到了什么階段？有人樂觀地認為經典公鑰密碼的“倒計時”已經開始；也有人懷疑，受限于制造難度，真正可用的量子計算機還遙遙無期。市面上相關論調不一，往往樂觀或悲觀，但核心疑問始終縈繞：量子計算機距離破解經典公鑰密碼還有多遠？

而這個問題的答案，跟“量子芯片”相關技術的發展密切相關。簡單地說，就是沒有金剛鉆，難做瓷器活，芯片性能達不到，用量子計算機破解那些經典的公鑰密碼也就無從談起。然而，想做出強大的量子芯片，卻困難重重。

量子芯片，也就是放置量子比特(約瑟夫森結)的芯片，又稱量子處理器。要構造更多量子比特的芯片，主要會遇到三個難題：布線問題、串擾問題和半導體良品率問題。

布線問題

由于每個量子比特都需要引出多根線纜(比如控制線、讀出線)，同時量子比特與比特之間還需要有耦合器(類似于開關)互聯。

在二維芯片上，當量子比特數量增加時，布線復雜度會非線性增加。特別是當需要實現高連接度時，中心區域的比特控制線必須繞過外圍比特，導致芯片面積急劇增加。

圖 1隨著量子比特數量增加，布線復雜度呈非線性增長

串擾問題

串擾指的是量子比特之間的互相干擾，會導致量子態退相干，并且隨著比特數量的增加呈非線性增強。常見的串擾可以分為：

· 經典串擾：量子比特的控制信號的頻率靠的太近，導致控制相互干擾。(頻率指的是波每秒完成的周期數。在量子計算中，每個量子比特通過不同頻率的微波信號進行控制，從而實現精確的操作和調控)

· 量子串擾：本應關閉的比特耦合沒有完全關斷；(類比到經典電路則是斷開開關之后仍然還有電流通過)

· 全局串擾：來自外部環境的未知物理過程的串擾，比如宇宙射線，聲子傳播等

要避免串擾，一方面可能需要更大的隔離區或精心設計的屏蔽結構，另一方面也可以在器件層面優化耦合器(coupler)的性能，讓比特間的耦合開關得以更徹底地關斷。此外，改進測控系統，尤其是頻率分配的優化，也有助于降低并行執行雙比特門時的串擾。

圖 2串擾隨量子比特數量增加呈非線性增強，嚴重影響量子態相干性。

器件良品率問題

如果單從面積來看，量子芯片的面積應該和量子比特數量成線性關系。但由于要處理布線和串擾問題，實際芯片面積往往會隨著量子比特的數量增長，且顯著超線性，接近平方增長。也就是說，量子比特越多，芯片面積就會非線性地放大。

更麻煩的是，量子比特對缺陷極其敏感，哪怕 1% 的失敗率都會讓整個系統不可用。如果芯片內部或者表面存在缺陷，就可能與量子比特發生耦合，降低其相干時間。

而在微納加工領域存在一個基本規律，芯片面積越大，良品率越低，大面積芯片的制造難度會呈指數增加。對于超導量子芯片來說，雖然其制造過程可以借用半導體工業的成熟設備和工藝流程，但量子比特對制造缺陷的極端敏感性使得良品率問題成為一個巨大的挑戰。

圖 3面積隨著量子比特數量以接近N2增長，而良品率隨面積指數下降。圖中概率值僅作演示，非真實值。

希望的曙光：模塊化設計與片間互聯

布線、串擾和良品率的問題，都會隨著量子比特數量的增加而非線性惡化。因此，如果直接在一塊芯片上構造百萬量子比特，幾乎是不可能的。

于是出現了新的思路：先構造數千個物理量子比特的小芯片(Chiplet)模塊(這樣就能組成一個可靠的邏輯量子比特)，再通過片間互聯技術把這些小芯片連接起來。這樣一來，單片的工程挑戰只是從數百擴展到數千，難度大幅降低，也更加可行。

不過，這個思路也帶來了新問題。量子比特非常脆弱，必須放在 10 毫開爾文左右的低溫環境里工作。如果將每個Chiplet分別放置在獨立的稀釋制冷機中，那么為了實現Chiplet之間的互聯，就需要將信號線從一個制冷機的低溫環境引出到室溫，再進入另一臺制冷機的低溫環境。

這種“低溫?室溫?低溫”的信號傳輸路徑會引入較大的熱負載和噪聲，從而破壞量子比特的狀態。如果所有Chiplet都放在同一臺稀釋制冷機里，那我們就需要一臺功率極其龐大的稀釋制冷機來容納數千個Chiplet，而制造這樣的大規模稀釋制冷機本身就是全新的挑戰。

圖 4 Chiplet跨稀釋制冷機互聯會引入額外熱噪聲，需要注意的是，實際的互聯拓撲并不一定是相鄰Chiplet兩兩直接連接。圖中所示的相鄰互聯方式僅用于演示。

圖 5稀釋制冷機示意圖

多個Chiplet被放置在同一稀釋制冷機內，并在低溫環境下直接互聯。這種集中式方案意味著需要一臺超大功率的稀釋制冷機 來容納并維持大量Chiplet的工作溫度。需要注意的是，實際的互聯拓撲并不一定是相鄰Chiplet兩兩直接連接，圖中所示的相鄰互聯方式僅用于演示。

因此，未來要么找到新的辦法來抑制跨稀釋制冷機互聯的噪聲，要么就得在稀釋制冷機的規模化上突破。就目前的科學和工程現狀來看，后者，即研發更大功率、更大空間的低溫稀釋制冷機，似乎是更可行的方向。

總結

如果采用 Chiplet設計 +片間互聯的方案，那么在量子芯片層面上需要跨越的 gap，就是如何把單片量子比特從數百擴展到數千。

好消息是，半導體已經是一棵“點亮的科技樹”，相關工藝還在持續進步。比如，可以借鑒先進封裝中的 3D 堆疊工藝來制造量子芯片，從而提高布線密度和互聯能力。同時，超導材料工藝的優化、多路復用設計、芯片架構設計的改進(如更高效的耦合器、更合理的頻率規劃)也都會幫助我們突破這一關口。

所以，單個小芯片從數百到數千個物理量子比特這一階段，難度雖然不小，但這一步主要還是工程瓶頸，整體上看起來還是比較樂觀的。目前，IBM 已造出了單片擁有 1000 個物理量子比特的芯片，不過由于芯片面積很大，將不可避免的面臨量產時良品率以及芯片內量子比特可靠性的挑戰。也正因為目前種種技術所限，暫時還制造不出能夠破解RSA?2048的百萬量子比特計算機，不過業界普遍認為，到203X 年，我們也許能夠見證這種量子計算機的誕生。