■李海欧 曹刚 肖明 郭光灿 郭国平
现在或许还无法准确预测“量子计算时代”何时到来，但在科学家看来，已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命性产品的诞生了。
计算机已经成为我们日常生活中的必备工具，如果问一句“你的计算机CPU用的是什么芯片？是Intel，还是AMD呢？”其实无论是Intel还是AMD，它们在本质上一样，都属于半导体芯片，基本单元都是半导体晶体管。未来，电脑芯片或许要多一个选择了：量子芯片。
半导体芯片是在半导体片材上进行浸蚀、布线、制成的能实现某种功能的半导体器件，主要包括砷化镓、硅和硅锗等半导体材料。随着人们对更小电子产品尺寸要求的提出，晶体管集成度越来越高，单个晶体管的尺寸也越来越小。据科学家推算，大约到2020年，每个晶体管将小到只有一个电子，即单电子晶体管。然而，一旦晶体管体积在不断变小的进程中出现“量子隧穿效应”，电子就可以直接从晶体管中“穿”过去，经典逻辑运算将不复存在。
据了解，目前世界上主要的计算机芯片生产企业仍在想办法避免量子隧穿效应。从长远来看，与其避免不如加以利用，发展使用“量子运算”的半导体量子芯片。
量子计算机将兴起
近年来，科学家利用量子效应在单电子晶体管上开展量子计算与量子信息技术研究，期待能够研制出实用化的量子计算机。量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息、运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
现在或许还无法准确预测“量子计算时代”何时到来，但在科学家看来，已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命性产品的诞生。科学家所研究的半导体量子芯片，就是能够进行逻辑运算和处理量子信息过程的量子处理器，是研制量子计算机的核心器件，类比于经典计算机全电控的半导体中央处理器（CPU）。
对于现代计算机而言，通过控制晶体管电压的高低电平，从而决定一个数据到底是“1”还是“0”，采用“1”或“0”的二进制数据模式，俗称经典比特。而量子计算机采用的是量子比特，它的每个数据位用微观的量子态表示。根据量子力学原理，量子比特同时可以处于“1”和“0”两种状态的叠加态，量子计算的输入和输出都是概率性的，这是量子力学的奇特性质之一。正是由于这种叠加状态的存在，量子计算机就可以同时进行很多条路径的计算，经过多次运算就可以获得精确的结果。
这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力。采用量子计算机进行一些复杂的计算任务，如密码破译、气候模拟和生物医学模拟等，量子计算机的运算速度可比传统计算机快数万倍。
半导体量子芯片的实现
量子比特的编码有很多种，基于全电控半导体量子点体系和超导体系的固态量子比特，与现代半导体集成电路工艺兼容且可扩展和拥有较好的可集成性，是最有力的候选者。
半导体量子芯片的制备工艺如下：首先，通过分子束外延生长含有二维电子的基片材料；然后，通过高分辨电子束刻蚀、光学刻蚀等制备量子点结构的图形；最后，通过电子束蒸发金属镀膜，再利用金属剥离技术，获得半导体量子点芯片器件。
半导体量子芯片具有易于全电操控、可集成化、兼容传统半导体工艺技术等重要优点，是进一步研制实用化半导体量子计算机的坚实基础。另一方面，更快的量子逻辑门操作是实用化量子芯片多量子比特集成和运算的首要条件，只有更快才有可能将量子计算从小规模的实验室演示推向真正的实用化。
目前，中国科学技术大学半导体量子芯片研究团队，利用标准半导体集成电路的微纳米加工工艺，制备出一种“半导体双量子点芯片”，通过单个电子在左右量子点中的位置决定量子比特的“1”和“0”，形成单电荷量子比特，利用超快电脉冲操控技术，在“一个电子”上实现了10皮秒量级（皮秒为时间单位，即10的负12次方秒）尺度的表达信息元素“0”和“1”的量子逻辑门运算，将原世界纪录提高近百倍，实现了世界上最快速的单电子电荷比特量子逻辑门。
多量子比特制备和操控是实现普适量子逻辑门的基础，按照双量子点中的电子在左右量子点的位置编码一个电荷量子比特的方式，两电荷量子比特可以由两个双量子点构成。研究团队在单量子比特的基础上，设计制备了多种强相互作用的半导体四量子点芯片，形成两个电荷量子比特，使两量子比特间的相互作用强度超过100微电子伏特（能量大小，表示相互作用的大小）。利用皮秒量级的脉冲序列精确控制技术，成功实现两个电荷量子比特的控制非门逻辑操控（一个量子比特的状态可以控制另外一个量子比特处于初始态，或者发生翻转，从而形成一个受控非门），其操控最短在200皮秒内完成。相对于目前国际上电子自旋两量子比特的最高水平，两电荷量子比特的操控速度提高了数百倍，实现了世界上最快速的两电荷比特量子受控非门。
最值得期待的“革命者”
原则上讲，“单量子比特逻辑单元”和“两量子比特控制非逻辑单元”的各种组合，可以实现任意的普适量子逻辑门，电荷编码单量子比特和两量子比特的量子逻辑门的完成，标志着基于半导体量子芯片的基本量子逻辑单元已经成功实现。作为实现大规模量子计算的基础，“多量子比特扩展与操控”是研究中的重要课题之一。
研究团队自主研发了新型超导微波谐振腔，实现了超导谐振腔与半导体量子比特的复合量子芯片制备，完成了石墨烯量子比特中的电子与超导谐振腔中光子的强相互作用，首次在国际上实现了相距60微米（量子比特自身大小的200倍）的两个石墨烯量子比特之间的长程相互作用。
然而，虽然目前研究团队已经实现了单量子逻辑比特、两量子逻辑比特及多量子比特的长程相互作用等量子处理器研制的关键原理性技术突破，但是要真正实现半导体量子计算机依然“任重而道远”，正如其他体系一样，基于半导体的量子计算面临着量子比特相干时间、操控保真度、容错能力等问题。按照目前对于经典计算机的预测，摩尔定律在10年后就要失效，要进一步提高计算能力，我们需要利用多核进行运算。随着近年来国际、国内量子计算研究水平的突飞猛进，量子计算机将是最值得期待的“革命者”。
（作者单位为中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室）
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