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?wèn)一句“你的計(jì)算機(jī)CPU用的是什么芯片?是Intel，還是AMD呢?”其實(shí)無(wú)論是Intel還是AMD，它們?cè)诒举|(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(lái)，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(duì)更小電子產(chǎn)品尺寸要求的提出，晶體管集成度越來(lái)越高，單個(gè)晶體管的尺寸也越來(lái)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(guò)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(lái)，科學(xué)家利用量子效應(yīng)在單電子晶體管上開(kāi)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(lèi)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(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)“量子計(jì)算時(shí)代”何時(shí)到來(lái)，但在科學(xué)家看來(lái)，已經(jīng)沒(méi)有什么原理性的困難可以阻擋這種革命性產(chǎn)品的誕生。科學(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(guò)程的量子處理器，是研制量子計(jì)算機(jī)的核心器件，類(lèi)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(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)而言，通過(guò)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(chēng)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(guò)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(wàn)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(guò)分子束外延生長(zhǎng)含有二維電子的基片材料;然后，通過(guò)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(guò)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(mén)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(guó)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(guò)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(jí)(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(mén)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(mén)。

　　多量子比特制備和操控是實(shí)現(xiàn)普適量子邏輯門(mén)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(guò)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(jí)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(mén)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(mén))，其操控最短在200皮秒內(nèi)完成。相對(duì)于目前國(guó)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(mén)。

　　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(mén)，電荷編碼單量子比特和兩量子比特的量子邏輯門(mén)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)題。按照目前對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的預(yù)測(cè)，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(lái)國(guó)際、國(guó)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”。