从量子点到量子环 改变的不只一个字

导读： 量子计算已经成为时下最火热的研究项目之一，而作为信息载体的量子比特的实现方式，是量子计算机研究的一项关键性技术。
量子计算已经成为时下最火热的研究项目之一，而作为信息载体的量子比特的实现方式，是量子计算机研究的一项关键性技术。
近日，来自中科院微电子研究所和浪潮电子信息产业有限公司的产学研合作研发团队，联合重庆邮电大学、厦门大学相关研究人员发表论文，提出以多电子半导体量子环构建量子计算机的理论设想，丰富了量子比特实现方式。
作为该文通讯作者，中科院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心吴振华研究员接受科技日报记者采访时表示：“用半导体量子环构建量子比特，这是基于现有成熟半导体工艺构筑量子计算机的新构想。”
晶体管尺寸接近物理极限
最近40年，微电子产业一直遵循着摩尔定律的预测持续、高速发展。
“但是随着技术的进步，器件集成度越来越高，芯片上的晶体管数目越来越多，单个晶体管尺寸越来越小。可以说当前的半导体芯片的发展已经接近尺寸上的物理极限，摩尔定律的时代即将终结，急需发展新的计算原理和新的器件架构来满足不断增长的计算需求。”吴振华解释道，“在此背景下，各国科学家大力研究量子力学规律，发展量子计算与量子信息技术，以期研制出可替代传统计算机的实用化量子计算机，实现超高量子并行的超级计算能力。”
“量子计算机通过叠加和纠缠的量子现象来实现计算能力的增长。量子叠加使量子比特能够同时具有0和1的数值，可进行‘同步计算’。每增加一个量子比特，运算性能就翻一倍。”另一位论文通讯作者、浪潮人工智能与高性能计算部刘羽博士表示。
目前，谷歌、微软、IBM、英特尔等科技公司都已经布局量子计算的研究。刘羽介绍说，IBM宣称已成功开发出一台50位量子比特的原型机；谷歌量子硬件负责人约翰·马丁尼斯则在去年10月透露谷歌已拥有22个量子比特的芯片；中国也在2017年5月初发布了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机，成功实现了10个超导量子比特纠缠，预计不久的将来可以实现操纵20个超导量子比特。
满足几项特定“指标”才能更优质
优质的量子比特实现方式一般需要满足几项特定的要求，如较为容易的物理载体的实现方式、容易的初态制备和操作、较长的相干时间等等。
“目前量子比特的实现方案主要包括超导回路、囚禁离子、半导体量子点、金刚石空位、拓扑任意子、光子等等，其中每一种技术都有自己的优点和缺点，未来最终路线尚不明确。”吴振华告诉记者。据他介绍，上述方案中，半导体量子点方案最具核心优势，其可利用现有半导体工艺基础开发、操作速度快、易于实现高密度集成，从而吸引了众多研究机构的关注。
“但是半导体量子点中强烈的量子限制效应使得电子相干时间短，电子纠缠困难。针对这个问题，我们利用组态相互作用（configuration interaction）方法，从理论上研究了包括3到6个电子的半导体量子环中的多电子态，发现量子环中电子数目不同，电子间会耦合形成不同的纠缠态，并可随外加磁场、电场的不同而呈现出不同特征，从而实现量子态的调控。此外，我们的研究还系统阐述了通过光学测量量子环特征的方案。”刘羽介绍说。
可利用现有半导体工艺实现
在吴振华和刘羽看来，以多电子半导体量子环构筑量子比特，是对现有单电子半导体量子点方案的新构想。实现量子计算的主要障碍是用于计算的量子态难以保持，就是常说的相干时间短。研究表明，相对于半导体量子点，半导体量子环的限制势易于调节，电子的相干时间更长，利于实现更多的量子比特操作。半导体量子点只能对单个电子自旋进行精细操控，对实验要求高难度大。而多电子量子环利用电子数目和电子自旋态混合编码实现量子比特，因此拥有更多的可操作自由度。此外量子点中，电子被束缚在零维空间。量子环中电子还具有在准一维空间轨道运动的自由度，提供了自旋这种电荷以外新的编码可能。
不仅如此，“与半导体量子点一样，量子环同样可以利用现有的半导体工艺实现，从而可以基于现有技术较为平滑地从经典的半导体芯片过渡到量子芯片。”吴振华说。
这项全新的研究成果还是产学研合作结出的硕果。刘羽表示：“该研究使用了较为严格和精确的理论模拟方法，但计算量巨大，微电子研究所与浪潮集团的产学研合作，充分发挥了浪潮在高性能计算领域的优势。双方还将继续推进合作，在量子计算领域寻求新的突破。”