劉瀛旻 劉芬 尤瑞松

摘 ?要：隨著集成電路工藝的發(fā)展，摩爾定律逐漸走向終結(jié)，于是科學(xué)家們轉(zhuǎn)向量子芯片的研究。目前最有前途的量子芯片分別是超導(dǎo)體系、半導(dǎo)體體系和離子阱體系。超導(dǎo)量子芯片電路設(shè)計(jì)難度隨著比特?cái)?shù)增多而增大，目前已實(shí)現(xiàn)20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片。離子阱量子計(jì)算性能優(yōu)異，但體積龐大，目前IonQ公司已實(shí)現(xiàn)13個(gè)171Yb+ 離子組成的離子阱系統(tǒng)11位全連接可編程量子計(jì)算機(jī)。半導(dǎo)體量子芯片的計(jì)算性能不如這兩種，但是由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝現(xiàn)在已基本成熟，只要在實(shí)驗(yàn)室里能夠?qū)崿F(xiàn)樣品芯片，理論上講大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)就不存在問題。目前科學(xué)家們認(rèn)為未來將很快實(shí)現(xiàn)10個(gè)量子比特的糾纏。量子芯片的研究將帶來計(jì)算速度的提升、量子通信安全性的實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。文章簡(jiǎn)要介紹了近年來量子芯片的研究進(jìn)展以及對(duì)未來應(yīng)用的展望。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)量子芯片;半導(dǎo)體量子芯片;離子阱量子芯片;量子計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào)：O471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19881/j.cnki.1006-3676.2020.12.10

Abstract：With the development of integrated circuit technology，Moore's law is coming to an end，on this condition，scientists tend to qubit chips. At present，the most promising quantum chips are in superconducting system，semiconductor system and trapped ion system. The difficulty of design in superconducting system enhances with the increase of the number of bits，20 qubits now have been realized. The computing performance of trapped ion is excellent：however，it has huge volume. IonQ has presented an 11—qubit fully—connected，programmable quantum computer in a trapped ion system which is composed of 13 171Yb+ ions. Although the performance of the semiconductor quantum chip is not as good as others，it is completely based on traditional semiconductor technology. As long as scientists can realize the sample chip in laboratory，there will be no problem in its large—scale industrial production. In the future.Scientists now believe that 10 qubit entanglements will soon be possible. The research of quantum chip will bring many advantages，such as the improvement of computing speed and the realization of quantum communication security. This paper reviews research progress recently and suggests prospect of future application.

Key words：Superconducting Quantum Chip;Semiconductor Quantum Chip;Trapped Ion Quantum Chip;Quantum Computer

一、量子芯片的提出

仙童半導(dǎo)體公司的Gordon Moore提出：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，每過18—24個(gè)月，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目約翻一倍，性能提升一倍[1]。多年來摩爾定律一直是可靠的電子技術(shù)進(jìn)步預(yù)測(cè)規(guī)律。目前最先進(jìn)且已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的CMOS工藝是臺(tái)積電的7nm FinFET工藝，已成功應(yīng)用于華為海思研制的麒麟990和高通的驍龍865處理器。

晶體管存在極限尺寸。由于海森堡不確定原理，晶體管的尺寸不可能無限制縮小，目前存在的晶體管的尺寸已經(jīng)接近物理極限。器件尺寸的減小會(huì)導(dǎo)致加工的難度與成本增大，等離子刻蝕機(jī)、浸潤(rùn)式光刻機(jī)等納米加工設(shè)備的換代成本更是達(dá)到數(shù)百億美元。此外，當(dāng)器件尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，量子隧穿效應(yīng)將變得非常顯著[2]，晶體管中的電流會(huì)因此變得難以控制，可能會(huì)出現(xiàn)的量子尺寸效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性降低[3]。此外，上億個(gè)CMOS器件在一個(gè)芯片上高速工作將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)熱問題[4]，這都將大大降低器件的穩(wěn)定性。為了突破這種尺寸極限，D—Wave、微軟、IBM等公司紛紛瞄準(zhǔn)了下一代芯片——量子芯片。

量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的核心部件。目前最有前途的量子芯片分別是超導(dǎo)、半導(dǎo)體和離子阱量子芯片。超導(dǎo)量子芯片電路設(shè)計(jì)難度隨著比特?cái)?shù)增多而增大;而半導(dǎo)體量子芯片計(jì)算性能不如另兩種，但完全基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝，只要科學(xué)家能在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)樣品芯片，其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)理論上不存在問題;離子阱量子計(jì)算性能優(yōu)異，但體積龐大。

二、量子芯片的工作環(huán)境

量子芯片的工作環(huán)境十分重要。嘈雜的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)被破壞，保存的信息丟失;而過高的環(huán)境溫度將會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的演化難以控制。超導(dǎo)量子芯片和半導(dǎo)體量子芯片工作在幾十毫開的極低溫下，離子阱量子芯片一般可以工作在室溫中。各種環(huán)境擾動(dòng)也會(huì)對(duì)量子比特產(chǎn)生影響，它們之間也有相互作用[5]。因此，在實(shí)驗(yàn)中要對(duì)芯片進(jìn)行機(jī)械固定。此外，量子計(jì)算需要進(jìn)行糾錯(cuò)。至少需要4個(gè)[6]，或多達(dá)數(shù)千個(gè)量子比特才能成功對(duì)一個(gè)量子比特進(jìn)行糾錯(cuò)[7]。2012年，F(xiàn)owler A G等人提出Surface Code[8]量子芯片結(jié)構(gòu)，2019年清華大學(xué)L.Hu等人實(shí)現(xiàn)了對(duì)邏輯比特的連續(xù)糾錯(cuò)，成功將相干時(shí)間延長(zhǎng)了2.8倍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)邏輯比特高保真度通用量子門操作，保真度為97.0%[9]。

三、超導(dǎo)量子芯片

利用約瑟夫森結(jié)及相鄰電容可以構(gòu)成非線性LC振蕩電路。之后將該電路量子化就可以構(gòu)建出超導(dǎo)量子比特。超導(dǎo)比特已由最初的Charge qubit[10]、Flux qubit[11]和Phase qubit[12]衍生出超導(dǎo)Transmon qubit、Xmon qubit[13]、Gmon qubit[14]。超導(dǎo)量子比特的單比特門可以使用微波脈沖實(shí)現(xiàn)，兩比特門可用微波脈沖或方波脈沖實(shí)現(xiàn)。

（一）超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)

超導(dǎo)量子電路可以利用微納加工工藝，其核心元件是超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)。中間的絕緣層厚度一般小于10nm，這樣兩塊超導(dǎo)體內(nèi)的Cooper電子對(duì)通過隧穿效應(yīng)穿過絕緣層可以到達(dá)另一邊。器件的外界電磁偏置使兩塊超導(dǎo)體的波函數(shù)的相位差產(chǎn)生聯(lián)系，使得電子具有相當(dāng)高的橫躍此薄層量子力學(xué)的振幅。這種量子隧穿效應(yīng)可以用來制作量子器件。

（二）超導(dǎo)諧振腔

1.共面波導(dǎo)

共面波導(dǎo)制備在介質(zhì)基片表面，在緊鄰中心導(dǎo)體帶的兩側(cè)有導(dǎo)體平面，其中中心導(dǎo)帶用來傳輸微波信號(hào)，兩側(cè)的導(dǎo)帶與地面相連。共面波導(dǎo)沒有截止頻率，其電容、電感、導(dǎo)抗和阻抗均勻沿著共面波導(dǎo)信號(hào)傳播的方向。沿著信號(hào)傳播方向，其波導(dǎo)的阻抗處處相等，信號(hào)能夠幾乎沒有損耗地通過。共面波導(dǎo)已在很多電路中取代了微帶線，并且在毫米波、亞毫米波以及光學(xué)集成電路中逐漸成為主流[16]。

2.諧振腔

如果傳輸線長(zhǎng)度有限或因阻抗的變化而產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)，則微波信號(hào)將在節(jié)點(diǎn)處反射。實(shí)驗(yàn)上可以在傳輸線兩端構(gòu)建電容節(jié)點(diǎn)，將其連接到信號(hào)極板或其他裝置上。當(dāng)微波信號(hào)遇到電容節(jié)點(diǎn)時(shí)，它將來回反射，在這段傳輸線中形成諧振。由于電磁場(chǎng)完全集中于腔內(nèi)，沒有輻射損耗。

（三）超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)

每個(gè)量子比特的X、Y、Z控制線均靠近SQUID區(qū)域以獲得最佳操控效果。通過XY線傳輸微波信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)能級(jí)的翻轉(zhuǎn)等操作，這種信號(hào)可以使量子比特從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。改變Z線的電流將會(huì)改變其外加磁場(chǎng)，與此同時(shí)SQUID的磁通也會(huì)發(fā)生變化。而磁通的變化會(huì)導(dǎo)致量子比特的能級(jí)結(jié)構(gòu)改變，使其頻率發(fā)生變化。為了避免不同量子比特操控通道之間的串?dāng)_，需要對(duì)量子芯片封裝空間進(jìn)行隔斷以阻止泄露信號(hào)對(duì)臨近量子比特的影響。

每個(gè)量子比特都使用單獨(dú)的讀取腔實(shí)現(xiàn)讀取以避免讀取腔中有多比特成分。所有的量子比特讀取腔均接入濾波器，使得所有的量子比特讀取合并，最后通過公共通道輸入。

（四）超導(dǎo)量子芯片目前進(jìn)展

2018年3月，Google成功研制出具有72量子比特的Bristlecone量子處理器。超導(dǎo)量子比特的弛豫時(shí)間已經(jīng)從納秒量級(jí)提升到毫秒量級(jí)，接近可實(shí)用化的下限[17]。2017年，超導(dǎo)量子芯片的相干時(shí)間已經(jīng)可以高于邏輯門操作時(shí)間1000倍以上;而單量子比特門的運(yùn)算保真度達(dá)到了99.94%。同時(shí)，雙量子比特門的保真度也達(dá)到了99.40%，這已經(jīng)成功滿足量子計(jì)算理論的容錯(cuò)率閾值要求。

2019年8月，浙江大學(xué)Chao Song等人成功研制含有20個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片，并通過該量子芯片成功實(shí)現(xiàn)了全局糾纏。該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一個(gè)18量子比特GHZ態(tài)的確定性生成以及在一個(gè)量子處理器上實(shí)現(xiàn)20量子比特的多組分原子“薛定諤的貓”態(tài)，特點(diǎn)是20個(gè)超導(dǎo)量子比特，也適用于由總線諧振器互連的人造原子[18]。

四、半導(dǎo)體量子芯片

與另外兩種系統(tǒng)的量子芯片相比，半導(dǎo)體量子計(jì)算的保真度較低。但半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有可容錯(cuò)性和可拓展性，能夠與現(xiàn)有的半導(dǎo)體芯片工藝兼容。

（一）半導(dǎo)體量子芯片器件

1.量子光源及濾波

目前量子光源主要分為三種：①連續(xù)變量光源。這種光源又分為相干態(tài)光源和壓縮態(tài)光源。相干態(tài)是一種具有標(biāo)準(zhǔn)量子噪聲的量子態(tài)。而壓縮即對(duì)光量子噪聲的壓縮。②單光子光源。光子具有不可分離性，因此它是一種理想的載體。其制備可以通過激光衰減法、共振熒光特征和單分子法等來制備。③糾纏態(tài)光源。目前其制備方法主要有離子阱、腔QED等[19]。

2.片上量子態(tài)調(diào)控

當(dāng)完成量子光源的制備及濾波后，需要對(duì)相應(yīng)的量子態(tài)進(jìn)行操作演化。其中所需要的光學(xué)元件是耦合器和相位控制器。最簡(jiǎn)單的可動(dòng)態(tài)調(diào)控的MZ干涉儀可由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的耦合器，中間加上相位調(diào)控實(shí)現(xiàn)。

3.單光子探測(cè)器

當(dāng)完成濾波和量子態(tài)演化操作之后，需要使用單光子探測(cè)器將光子信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析[20]。

4.光纖—芯片間的耦合

當(dāng)兩波導(dǎo)相距很近時(shí)，其內(nèi)部的模式將會(huì)發(fā)生耦合。耦合主要有端面耦合與光柵耦合兩種類型。其中端面耦合是位于光芯片邊緣的耦合器，光纖同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在端面處實(shí)現(xiàn)光信號(hào)。而光柵耦合在波導(dǎo)表面二次刻蝕衍射光柵，然后通過該結(jié)構(gòu)將光信號(hào)耦合進(jìn)芯片。若將兩個(gè)耦合器級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的MZ干涉儀;若級(jí)聯(lián)多個(gè)耦合器，則可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的多光子糾纏門，如兩比特概率CNOT門。

（二）半導(dǎo)體量子芯片原理

Loss 和DiVincenzo提出基于門控量子點(diǎn)操縱單電子自旋。使用半導(dǎo)體工藝生長(zhǎng)出半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)晶片，在其上刻蝕出金屬門電極，加上負(fù)壓，多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)之間就可以形成具有特定形狀的二維電子氣。再使用直流電極施加恒定電壓，二維電子氣中的電子被束縛在0維勢(shì)阱中，逐個(gè)清空以獲得單電子，這些電子在百納米大小的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

在外加磁場(chǎng)的作用下，由于具有塞曼效應(yīng)，發(fā)光譜線發(fā)生分裂且偏振，每個(gè)電子軌道劈裂成自旋向上和向下的兩能級(jí)結(jié)構(gòu)。此外，可以利用電子的其他自由度構(gòu)建電荷量子比特，或?qū)⒐庾幼鳛榱孔颖忍?。半?dǎo)體量子比特之間相互作用的形式有很多，如自旋量子比特可以使用電子自旋共振或者電偶極矩自旋共振來激發(fā)，其讀取主要使用電荷傳感器QPC或者SET。

單比特邏輯門可以使用微波脈沖實(shí)現(xiàn)，兩比特門則可以使用門控電壓脈沖調(diào)控。利用硅基納米光波導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光量子芯片具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如與傳統(tǒng)微電子加工工藝兼容、可集成度高、非線性效用強(qiáng)、工作波長(zhǎng)與光線量子通信兼容等[21]。

（三）半導(dǎo)體量子芯片目前進(jìn)展

2014年，UNSW研制出退相干時(shí)間高達(dá)120微秒自旋量子比特;2017年，日本理化研究所在硅鍺系統(tǒng)上獲得了保真度超過99.9%的量子比特;2019年，布里斯托大學(xué)Daniel Llewellyn等人，實(shí)現(xiàn)了硅基集成光量子芯片上的多體量子糾纏和芯片—芯片間的量子隱形傳態(tài)功能。隱形傳態(tài)保真度為目前最高的0.90，未來將會(huì)實(shí)現(xiàn)10個(gè)光子糾纏態(tài)[22]。

五、離子阱量子芯片

（一）離子阱量子芯片原理

在該類型芯片中，用離子的內(nèi)態(tài)能級(jí)編碼量子位，而用晶態(tài)離子的集體振動(dòng)聲子態(tài)編碼運(yùn)動(dòng)量子比特位。用于產(chǎn)生量子比特的原子就在芯片的中心位置，被激發(fā)并被電磁場(chǎng)和庫侖相互作用所束縛。在高真空中使用電磁場(chǎng)捕獲離子化的原子可形成電離后原子的勢(shì)阱。

離子阱量子比特之間的相互作用力為庫侖力。在實(shí)驗(yàn)中，可以用脈沖或激光來操控單個(gè)比特，兩比特門通過選擇性驅(qū)動(dòng)兩比特之間的振動(dòng)模式來實(shí)現(xiàn)。由于其量子比特的能級(jí)頻率近似全同，因此很難對(duì)選擇性量子邏輯門進(jìn)行操作?？梢韵葘㈦x子阱分為多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)和操作區(qū)，把目標(biāo)離子轉(zhuǎn)移到操作區(qū)進(jìn)行量子算法，最后再移回存儲(chǔ)區(qū)，這樣就可以完成任意兩離子的聯(lián)合操作，從而完成任意兩比特門[23]。

2002年，Kielpinski D等人提出QCCD思想[24]。可以利用這種將電極分段的思想使宏觀離子阱轉(zhuǎn)變?yōu)榉侄嗡臉O宏觀阱結(jié)構(gòu)，如圖2（a）。其中，分段四極宏觀阱的外端分段直流控制電極是宏觀離子阱中的錐形帽電極。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是難以微型化。可以利用半導(dǎo)體工藝技術(shù)，將其微型化為雙層離子阱。首先在半導(dǎo)體基板中刻蝕一條間隙，在間隙兩側(cè)的襯底上下面制造出電極以在該間隙中捕獲離子，或者也可以堆疊多塊襯底形成雙層結(jié)構(gòu)[25]。它具有囚禁勢(shì)阱對(duì)稱性好、勢(shì)阱深等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)具有制作工藝較為復(fù)雜，不易單片集成和限制區(qū)擴(kuò)大等缺點(diǎn)。三層離子阱可以對(duì)離子微運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償和對(duì)離子輸運(yùn)更精細(xì)的電極控制，但也不易集成單個(gè)芯片和限制區(qū)擴(kuò)展。

（二）離子阱芯片目前進(jìn)展

2018年12月，IonQ公布了兩款具有160個(gè)存儲(chǔ)量子比特和79個(gè)量子比特的新型離子阱量子計(jì)算機(jī)，超越了谷歌的72個(gè)量子比特的Bristlecone處理器的最佳噪聲超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。該新型離子阱計(jì)算機(jī)可以在室溫下工作，不受退相干時(shí)間的限制;因?yàn)槠淞孔游皇请x子而不是約瑟夫森結(jié)，所以量子位的制造沒有錯(cuò)誤，沒有讀出錯(cuò)誤，也沒有量子位生命周期等問題;同時(shí)，該量子計(jì)算機(jī)還擁有可擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)量子比特的接口。

2019年，IonQ研制出由13個(gè)171Yb+ 離子組成的離子阱系統(tǒng)11位全連接可編程量子計(jì)算機(jī)。其中平均單個(gè)量子比特門的保真度為99.5%，平均兩比特門的保真度為97.5%，SPAM錯(cuò)誤率為0.7%[26]。

六、量子芯片的未來展望

目前量子芯片還有一些不足。例如，一些物理系統(tǒng)需求的工作環(huán)境溫度較低，工作環(huán)境要求較為嚴(yán)格，可實(shí)現(xiàn)糾纏的量子比特較少，離商用化還有很大的距離等，但量子芯片目前已能實(shí)現(xiàn)一些應(yīng)用。

量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的核心。2019年1月，IBM發(fā)布了首臺(tái)商用化量子計(jì)算機(jī)IBM Q System One，可提供顧客在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算[27]。

量子芯片可應(yīng)用于模擬。量子計(jì)算在未來可能可以對(duì)反應(yīng)和材料進(jìn)行建模。例如，對(duì)線彈性材料的模擬，需要模擬完全不具有方向敏感性的各向同性材料，需要考慮楊氏模量、剪切模量和泊松比等因素，這些要求可能超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的處理能力。而量子計(jì)算機(jī)可以更高效地完成模擬，研究者可以不用再耗費(fèi)大量時(shí)間精力、大量資金和材料。而更快、更好的模擬途徑將會(huì)帶來巨大價(jià)值。

量子芯片可以應(yīng)用于銀行。由于量子比特具有的不可復(fù)制性，可以將身份證或銀行卡中的IC芯片替換為量子芯片，即可實(shí)現(xiàn)防盜刷，從而確?？蛻舻馁Y金等的安全性[28]。

同時(shí)，在量子通信方面，科學(xué)家們已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了基于芯片的量子秘鑰分發(fā)[29]，以及將多功能模塊集成到單塊芯片上，并實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)中對(duì)MDI—QKD協(xié)議進(jìn)行了演示。此外還在量子芯片上實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)[30]、芯片間糾纏分發(fā)[31]以及量子中繼器。

未來期待著未來量子芯片在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮其更大的優(yōu)勢(shì)。

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