第二看臺(tái)

量子計(jì)算已經(jīng)成為時(shí)下最火熱的研究項(xiàng)目之一，而作為信息載體的量子比特的實(shí)現(xiàn)方式，是量子計(jì)算機(jī)研究的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。

近日，來自中科院微電子研究所和浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)有限公司的產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)團(tuán)隊(duì),聯(lián)合重慶郵電大學(xué)、廈門大學(xué)相關(guān)研究人員發(fā)表論文，提出以多電子半導(dǎo)體量子環(huán)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的理論設(shè)想，豐富了量子比特實(shí)現(xiàn)方式。

作為該文通訊作者，中科院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心吳振華研究員接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示：“用半導(dǎo)體量子環(huán)構(gòu)建量子比特，這是基于現(xiàn)有成熟半導(dǎo)體工藝構(gòu)筑量子計(jì)算機(jī)的新構(gòu)想。”

晶體管尺寸接近物理極限

最近40年，微電子產(chǎn)業(yè)一直遵循著摩爾定律的預(yù)測(cè)持續(xù)、高速發(fā)展。

“但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，器件集成度越來越高，芯片上的晶體管數(shù)目越來越多，單個(gè)晶體管尺寸越來越小。可以說當(dāng)前的半導(dǎo)體芯片的發(fā)展已經(jīng)接近尺寸上的物理極限，摩爾定律的時(shí)代即將終結(jié)，急需發(fā)展新的計(jì)算原理和新的器件架構(gòu)來滿足不斷增長的計(jì)算需求。”吳振華解釋道，“在此背景下，各國科學(xué)家大力研究量子力學(xué)規(guī)律，發(fā)展量子計(jì)算與量子信息技術(shù)，以期研制出可替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)超高量子并行的超級(jí)計(jì)算能力。”

“量子計(jì)算機(jī)通過疊加和糾纏的量子現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的增長。量子疊加使量子比特能夠同時(shí)具有0和1的數(shù)值，可進(jìn)行‘同步計(jì)算’。每增加一個(gè)量子比特，運(yùn)算性能就翻一倍。”另一位論文通訊作者、浪潮人工智能與高性能計(jì)算部劉羽博士表示。

目前，谷歌、微軟、IBM、英特爾等科技公司都已經(jīng)布局量子計(jì)算的研究。劉羽介紹說，IBM宣稱已成功開發(fā)出一臺(tái)50位量子比特的原型機(jī);谷歌量子硬件負(fù)責(zé)人約翰·馬丁尼斯則在去年10月透露谷歌已擁有22個(gè)量子比特的芯片;中國也在2017年5月初發(fā)布了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏，預(yù)計(jì)不久的將來可以實(shí)現(xiàn)操縱20個(gè)超導(dǎo)量子比特。

滿足幾項(xiàng)特定“指標(biāo)”才能更優(yōu)質(zhì)

優(yōu)質(zhì)的量子比特實(shí)現(xiàn)方式一般需要滿足幾項(xiàng)特定的要求，如較為容易的物理載體的實(shí)現(xiàn)方式、容易的初態(tài)制備和操作、較長的相干時(shí)間等等。

“目前量子比特的實(shí)現(xiàn)方案主要包括超導(dǎo)回路、囚禁離子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、金剛石空位、拓?fù)淙我庾印⒐庾拥鹊龋渲忻恳环N技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，未來最終路線尚不明確。”吳振華告訴記者。據(jù)他介紹，上述方案中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)方案最具核心優(yōu)勢(shì)，其可利用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)開發(fā)、操作速度快、易于實(shí)現(xiàn)高密度集成，從而吸引了眾多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

“但是半導(dǎo)體量子點(diǎn)中強(qiáng)烈的量子限制效應(yīng)使得電子相干時(shí)間短，電子糾纏困難。針對(duì)這個(gè)問題，我們利用組態(tài)相互作用(configuration interaction)方法，從理論上研究了包括3到6個(gè)電子的半導(dǎo)體量子環(huán)中的多電子態(tài)，發(fā)現(xiàn)量子環(huán)中電子數(shù)目不同，電子間會(huì)耦合形成不同的糾纏態(tài)，并可隨外加磁場(chǎng)、電場(chǎng)的不同而呈現(xiàn)出不同特征，從而實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的調(diào)控。此外，我們的研究還系統(tǒng)闡述了通過光學(xué)測(cè)量量子環(huán)特征的方案。”劉羽介紹說。

可利用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)

在吳振華和劉羽看來，以多電子半導(dǎo)體量子環(huán)構(gòu)筑量子比特，是對(duì)現(xiàn)有單電子半導(dǎo)體量子點(diǎn)方案的新構(gòu)想。實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的主要障礙是用于計(jì)算的量子態(tài)難以保持，就是常說的相干時(shí)間短。研究表明，相對(duì)于半導(dǎo)體量子點(diǎn)，半導(dǎo)體量子環(huán)的限制勢(shì)易于調(diào)節(jié)，電子的相干時(shí)間更長，利于實(shí)現(xiàn)更多的量子比特操作。半導(dǎo)體量子點(diǎn)只能對(duì)單個(gè)電子自旋進(jìn)行精細(xì)操控，對(duì)實(shí)驗(yàn)要求高難度大。而多電子量子環(huán)利用電子數(shù)目和電子自旋態(tài)混合編碼實(shí)現(xiàn)量子比特，因此擁有更多的可操作自由度。此外量子點(diǎn)中，電子被束縛在零維空間。量子環(huán)中電子還具有在準(zhǔn)一維空間軌道運(yùn)動(dòng)的自由度，提供了自旋這種電荷以外新的編碼可能。

不僅如此，“與半導(dǎo)體量子點(diǎn)一樣，量子環(huán)同樣可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)，從而可以基于現(xiàn)有技術(shù)較為平滑地從經(jīng)典的半導(dǎo)體芯片過渡到量子芯片。”吳振華說。

這項(xiàng)全新的研究成果還是產(chǎn)學(xué)研合作結(jié)出的碩果。劉羽表示：“該研究使用了較為嚴(yán)格和精確的理論模擬方法，但計(jì)算量巨大，微電子研究所與浪潮集團(tuán)的產(chǎn)學(xué)研合作，充分發(fā)揮了浪潮在高性能計(jì)算領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。雙方還將繼續(xù)推進(jìn)合作，在量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)で笮碌耐黄啤?rdquo;