半導(dǎo)體“革命者” 電腦芯片將多一個(gè)選擇：量子芯片

　　計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪械谋貍涔ぞ?，如果問一句“你的?jì)算機(jī)CPU用的是什么芯片?是Intel，還是AMD呢?”其實(shí)無論是Intel還是AMD，它們在本質(zhì)上一樣，都屬于半導(dǎo)體芯片，基本單元都是半導(dǎo)體晶體管。未來，電腦芯片或許要多一個(gè)選擇了：量子芯片。

　　半導(dǎo)體芯片是在半導(dǎo)體片材上進(jìn)行浸蝕、布線、制成的能實(shí)現(xiàn)某種功能的半導(dǎo)體器件，主要包括砷化鎵、硅和硅鍺等半導(dǎo)體材料。隨著人們對更小電子產(chǎn)品尺寸要求的提出，晶體管集成度越來越高，單個(gè)晶體管的尺寸也越來越小。據(jù)科學(xué)家推算，大約到2020年，每個(gè)晶體管將小到只有一個(gè)電子，即單電子晶體管。然而，一旦晶體管體積在不斷變小的進(jìn)程中出現(xiàn)“量子隧穿效應(yīng)”，電子就可以直接從晶體管中“穿”過去，經(jīng)典邏輯運(yùn)算將不復(fù)存在。

　　據(jù)了解，目前世界上主要的計(jì)算機(jī)芯片生產(chǎn)企業(yè)仍在想辦法避免量子隧穿效應(yīng)。從長遠(yuǎn)來看，與其避免不如加以利用，發(fā)展使用“量子運(yùn)算”的半導(dǎo)體量子芯片。

　　量子計(jì)算機(jī)將興起

　　近年來，科學(xué)家利用量子效應(yīng)在單電子晶體管上開展量子計(jì)算與量子信息技術(shù)研究，期待能夠研制出實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息、運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。

　　現(xiàn)在或許還無法準(zhǔn)確預(yù)測“量子計(jì)算時(shí)代”何時(shí)到來，但在科學(xué)家看來，已經(jīng)沒有什么原理性的困難可以阻擋這種革命性產(chǎn)品的誕生?？茖W(xué)家所研究的半導(dǎo)體量子芯片，就是能夠進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理量子信息過程的量子處理器，是研制量子計(jì)算機(jī)的核心器件，類比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)全電控的半導(dǎo)體中央處理器(CPU)。

　　對于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)而言，通過控制晶體管電壓的高低電平，從而決定一個(gè)數(shù)據(jù)到底是“1”還是“0”，采用“1”或“0”的二進(jìn)制數(shù)據(jù)模式，俗稱經(jīng)典比特。而量子計(jì)算機(jī)采用的是量子比特，它的每個(gè)數(shù)據(jù)位用微觀的量子態(tài)表示。根據(jù)量子力學(xué)原理，量子比特同時(shí)可以處于“1”和“0”兩種狀態(tài)的疊加態(tài)，量子計(jì)算的輸入和輸出都是概率性的，這是量子力學(xué)的奇特性質(zhì)之一。正是由于這種疊加狀態(tài)的存在，量子計(jì)算機(jī)就可以同時(shí)進(jìn)行很多條路徑的計(jì)算，經(jīng)過多次運(yùn)算就可以獲得精確的結(jié)果。

　　這一特性讓量子計(jì)算機(jī)擁有超強(qiáng)的計(jì)算能力。采用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，如密碼破譯、氣候模擬和生物醫(yī)學(xué)模擬等，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快數(shù)萬倍。

　　半導(dǎo)體量子芯片的實(shí)現(xiàn)

　　量子比特的編碼有很多種，基于全電控半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系和超導(dǎo)體系的固態(tài)量子比特，與現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路工藝兼容且可擴(kuò)展和擁有較好的可集成性，是最有力的候選者。

　　半導(dǎo)體量子芯片的制備工藝如下：首先，通過分子束外延生長含有二維電子的基片材料;然后，通過高分辨電子束刻蝕、光學(xué)刻蝕等制備量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的圖形;最后，通過電子束蒸發(fā)金屬鍍膜，再利用金屬剝離技術(shù)，獲得半導(dǎo)體量子點(diǎn)芯片器件。

　　半導(dǎo)體量子芯片具有易于全電操控、可集成化、兼容傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝技術(shù)等重要優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)一步研制實(shí)用化半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。另一方面，更快的量子邏輯門操作是實(shí)用化量子芯片多量子比特集成和運(yùn)算的首要條件，只有更快才有可能將量子計(jì)算從小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室演示推向真正的實(shí)用化。

　　目前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)半導(dǎo)體量子芯片研究團(tuán)隊(duì)，利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體集成電路的微納米加工工藝，制備出一種“半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)芯片”，通過單個(gè)電子在左右量子點(diǎn)中的位置決定量子比特的“1”和“0”，形成單電荷量子比特，利用超快電脈沖操控技術(shù)，在“一個(gè)電子”上實(shí)現(xiàn)了10皮秒量級(皮秒為時(shí)間單位，即10的負(fù)12次方秒)尺度的表達(dá)信息元素“0”和“1”的量子邏輯門運(yùn)算，將原世界紀(jì)錄提高近百倍，實(shí)現(xiàn)了世界上最快速的單電子電荷比特量子邏輯門。

　　多量子比特制備和操控是實(shí)現(xiàn)普適量子邏輯門的基礎(chǔ)，按照雙量子點(diǎn)中的電子在左右量子點(diǎn)的位置編碼一個(gè)電荷量子比特的方式，兩電荷量子比特可以由兩個(gè)雙量子點(diǎn)構(gòu)成。研究團(tuán)隊(duì)在單量子比特的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制備了多種強(qiáng)相互作用的半導(dǎo)體四量子點(diǎn)芯片，形成兩個(gè)電荷量子比特，使兩量子比特間的相互作用強(qiáng)度超過100微電子伏特(能量大小，表示相互作用的大小)。利用皮秒量級的脈沖序列精確控制技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電荷量子比特的控制非門邏輯操控(一個(gè)量子比特的狀態(tài)可以控制另外一個(gè)量子比特處于初始態(tài)，或者發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而形成一個(gè)受控非門)，其操控最短在200皮秒內(nèi)完成。相對于目前國際上電子自旋兩量子比特的最高水平，兩電荷量子比特的操控速度提高了數(shù)百倍，實(shí)現(xiàn)了世界上最快速的兩電荷比特量子受控非門。

　　最值得期待的“革命者”

　　原則上講，“單量子比特邏輯單元”和“兩量子比特控制非邏輯單元”的各種組合，可以實(shí)現(xiàn)任意的普適量子邏輯門，電荷編碼單量子比特和兩量子比特的量子邏輯門的完成，標(biāo)志著基于半導(dǎo)體量子芯片的基本量子邏輯單元已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)。作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的基礎(chǔ)，“多量子比特?cái)U(kuò)展與操控”是研究中的重要課題之一。

　　研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了新型超導(dǎo)微波諧振腔，實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)諧振腔與半導(dǎo)體量子比特的復(fù)合量子芯片制備，完成了石墨烯量子比特中的電子與超導(dǎo)諧振腔中光子的強(qiáng)相互作用，首次在國際上實(shí)現(xiàn)了相距60微米(量子比特自身大小的200倍)的兩個(gè)石墨烯量子比特之間的長程相互作用。

　　然而，雖然目前研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單量子邏輯比特、兩量子邏輯比特及多量子比特的長程相互作用等量子處理器研制的關(guān)鍵原理性技術(shù)突破，但是要真正實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)依然“任重而道遠(yuǎn)”，正如其他體系一樣，基于半導(dǎo)體的量子計(jì)算面臨著量子比特相干時(shí)間、操控保真度、容錯(cuò)能力等問題。按照目前對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的預(yù)測，摩爾定律在10年后就要失效，要進(jìn)一步提高計(jì)算能力，我們需要利用多核進(jìn)行運(yùn)算。隨著近年來國際、國內(nèi)量子計(jì)算研究水平的突飛猛進(jìn)，量子計(jì)算機(jī)將是最值得期待的“革命者”。