半导体量子芯片

前言

当传统计算模式趋近瓶颈时，下一代计算模式的重大变革也即将来临。在不久的将来，量子计算可以改变世界已经成为了共识。

一些大公司已经开始将量子计算研究视为一场竞赛。谷歌、IBM、英特尔和微软都在持续的扩大他们的量子计算研究团队，国内阿里、百度、本源量子等一批企业也在飞速成长中。

要成为科技强国不是一代人的事，必须要有传承，这离不开量子信息人才的教育和培养。希望这个栏目能给大家科普关于量子计算的基础知识，能有更多的人才投入量子计算研究当中。

半导体量子技术的发展

由于经典计算机主要基于半导体技术，基于半导体开发量子计算也是物理学家研究的重点领域。相比超导量子计算微米级别的比特大小，量子点量子比特所占的空间是纳米级别，类似于大规模集成电路一样，更有希望实现大规模的量子芯片。现在的主要方法是在硅或者神化镍等半导体材料上制备门控量子点来编码量子比特。编码量子比特的方案多种多样，在半导体系统中主要是通过对电子的电荷或者自旋量子态的控制实现。

基于电荷位置的量子比特如下图所示，这是中国科学技术大学郭国平研究组利用GaAs/AIGaAs异质结制备的三电荷量子比特的样品，图中Q1、Q2和Q3作为探测器可以探测由U、L电极形成的量子点中电荷的状态，六个圆圈代表六个量子点，每种颜色代表一个电荷量子比特。以两个黄圈为例，当电子处于右边量子点中时，它处于量子比特的基态，代表0；当电子处于左边量子点时，它处于量子比特的激发态，代表1。这三个比特的相互作用可以通过量子点之间的电极调节，因而可以用来形成三比特控制操作，不过这种三比特操作的保真度较低，提高保真度需要进一步抑制电荷噪声。

基于自旋的量子比特如下图（a）所示，这是美国普林斯顿大学Petta研究组基于Si/SiGe异质结制备的两自旋量子比特芯片，图（a）中带箭头的圆圈代表不同自旋方向的电子，自旋在磁场下劈裂产生的两个能级可以用于编码量子比特。这两个量子比特之间的耦合可以通过中间的电极M进行控制，实现两比特操作。由于对电荷噪声有较高的免疫效果，自旋量子比特的退相干时间非常长，2014年，澳大利亚新南威尔士大学Morello研究组的实验结果显示自旋的退相干时间可以长达30秒，可以用来制备超高保真度的量子比特。截止到2018年年初，已经有包括澳大利亚新南威尔士大学Dzurak组、美国普林斯顿大学Petta组和荷兰代尔夫特大学Vandersypen组实现了半导体自旋量子比特的两比特操控，其单量子比特操控保真度已经可以超过99%，两比特操控保真度可以达到80%左右。2017年，日本Tarucha研究组报道了保真度达到99.9%的单量子比特，证明了自旋量子比特的超高保真度。

（不同研究组的两自旋量子比特半导体芯片（a）美国普林斯顿大学Petta研究组（b）澳大利亚新南威尔士大学Dzurak组（c）荷兰代尔夫特理工大学Vandersypen组（Bext-外磁场，Qubits-量子比特，Chargesensor-电荷探测器，A203-氧化铝，Si-硅，SiGe-硅绪，Bz-垂直磁场，Comicromagnet钻微磁体Depletiongate-耗尽电极Accumulationgate-汇聚电极）

与超导量子计算类似，半导体量子计算也正在从科研界转向工业界，2016年，美国芯片巨头Intel公司开始投资代尔夫特理工大学的硅基量子计算研究，目标是在五年内制备出第一个二维表面码结构下的逻辑量子比特；2017年，澳大利亚也组建了硅量子计算公司，目标是五年内制备出第一台10比特硅基量子计算机。

在国内，中国科学技术大学的郭国平研究组在传统的GaAs基量子比特方面积累了成熟的技术，实现了多达3个电荷量子比特的操控和读出，并基于电荷量子比特制备了品质因子更高的杂化量子比特，同时，该组从2016年开启了硅基量子比特计划，计划五年内制备出硅基高保真度的两比特量子逻辑门，实现对国际水平的追赶，并为进一步的超越做准备。