郭光灿等撰文：值得期待的量子CPU

■李海鸥、曹刚、肖明、郭广灿、郭郭萍

可能无法准确预测“量子计算时代”何时到来，但在科学家看来，没有根本的困难可以阻止这一革命性产品的诞生。

电脑已经成为我们日常生活中不可或缺的工具。如果你问，“你的电脑*处理器使用的是什么芯片？是英特尔还是AMD？”事实上，英特尔和AMD本质上都属于半导体芯片，基本单元是半导体晶体管。在未来，计算机芯片可能还有一个选择:量子芯片。

半导体芯片是一种通过在半导体片上刻蚀、布线和制作来实现一定功能的半导体器件，主要包括砷化镓、硅、硅锗等半导体材料。随着对更小电子产品的需求，晶体管的集成度越来越高，单个晶体管的尺寸也越来越小。根据科学家的计算，到2020年，每个晶体管将小到只有一个电子，也就是一个单电子晶体管。然而，一旦“量子隧道效应”在晶体管体积减小的过程中发生，电子就可以直接“通过”晶体管，经典的逻辑运算将不复存在。

据了解，世界上主要的计算机芯片制造商仍在努力避免量子隧道效应。从长远来看，开发使用“量子计算”的半导体量子芯片比回避它要好。

量子计算机将崛起

近年来，科学家们利用量子效应对单电子晶体管进行量子计算和量子信息技术研究，以期开发出实用的量子计算机。量子计算机是一种遵循量子力学定律进行高速数学和逻辑运算、存储和处理量子信息的物理设备。当一个设备处理和计算量子信息并运行量子算法时，它就是一台量子计算机。

可能无法准确预测“量子计算时代”何时到来，但在科学家看来，没有根本的困难可以阻止这一革命性产品的诞生。科学家研究的半导体量子芯片是一种量子处理器，可以执行逻辑运算和处理量子信息。它是开发量子计算机的核心设备，类似于经典计算机的全电子控制半导体*处理器。

对于现代计算机来说，二进制数据模式“1”或“0”，通常称为经典位，通过控制晶体管电压的高低来确定数据是“1”还是“0”。量子计算机使用量子比特，每个数据比特由微观量子状态表示。根据量子力学原理，量子比特可以同时处于“1”和“0”的叠加状态。量子计算的输入和输出是概率性的，这是量子力学特有的性质之一。正是因为这种叠加态的存在，量子计算机可以同时计算多条路径，并在多次运算后获得精确的结果。

这一特性使量子计算机具有超级计算能力。量子计算机用于执行一些复杂的计算任务，如代码解密、气候模拟和生物医学模拟等。量子计算机的运行速度比传统计算机快数万倍。

半导体量子芯片的实现

量子位有许多种代码。基于完全电控半导体量子点系统和超导系统的固态量子位与现代半导体集成电路工艺兼容、可扩展且具有良好的可集成性，是最强有力的候选。

半导体量子芯片的制备过程如下:首先，通过分子束外延生长含有二维电子的衬底材料；然后，通过高分辨率电子束蚀刻、光学蚀刻等制备量子点结构的图案。最后，通过电子束蒸发金属涂层和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许多重要的优点，如易于全电控制、集成以及与传统半导体技术兼容等。这为实用半导体量子计算机的进一步发展奠定了坚实的基础。另一方面，量子逻辑门的更快操作是量子芯片的实际多量子位集成和计算的第一条件。只有更快的操作才能将量子计算从小规模的实验室演示推向真正的实用。

目前，中国科技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加工技术，研制出了“半导体双量子点芯片”。量子比特的“1”和“0”由左量子点和右量子点中的单个电子的位置决定，以形成单个电荷量子比特。使用超快电脉冲操纵技术，在10皮秒量级上实现“一个电子”(皮秒是时间单位)。也就是说，在10到-12秒的范围内，表示信息元素“0”和“1”的量子逻辑门将原始世界记录增加了近100倍，实现了世界上最快的单电子电荷位量子逻辑门。

多量子位的制备和操作是实现通用量子逻辑门的基础。根据双量子点中的电子在左右量子点位置编码一个电荷量子位的方式，两个电荷量子位可以由两个双量子点组成。在单个量子位的基础上，研究团队设计并制备了多种具有强相互作用的半导体四量子点芯片，形成两个电荷量子位，使得两个量子位之间的相互作用强度超过100微电子伏特(能量，表示相互作用的大小)。利用皮秒量级的精确脉冲序列控制技术，成功实现了两个电荷量子位的受控非门逻辑控制(一个量子位的状态可以控制另一个量子位处于初始状态或翻转形成受控非门)，控制在最短200皮秒内完成。与目前世界上最高水平的电子自旋双量子位相比，双电荷量子位的控制速度提高了数百倍，实现了世界上最快的双电荷量子位量子控制非门。

最值得期待的“革命家”

原则上，“单量子位逻辑单元”和“双量子位控制非逻辑单元”的各种组合可以实现任何通用量子逻辑门。电荷编码单量子比特和双量子比特量子逻辑门的完成，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。作为大规模量子计算的基础，“多量子位扩展和操纵”是研究的重要课题之一。

该研究团队自主开发了一种新型超导微波谐振腔，实现了超导谐振腔和半导体量子位复合量子芯片的制备，完成了石墨烯量子位中的电子和超导谐振腔中的光子之间的强相互作用，首次实现了两个相距60微米(量子位本身大小的200倍)的石墨烯量子位之间的远程相互作用。

然而，尽管该研究团队在量子处理器的发展上取得了一些关键的理论突破，如单量子逻辑位、两量子逻辑位和多量子位的长程相互作用，但要真正实现半导体量子计算机还有很长的路要走。像其他系统一样，基于半导体的量子计算面临诸如量子位相干时间、操纵保真度、容错等问题。根据目前对经典计算机的预测，摩尔定律将在10年后失效。为了进一步提高计算能力，我们需要使用多核进行计算。随着近年来国际国内量子计算研究的迅速发展，量子计算机将成为最值得期待的“革命者”。

(作者单位为中国科学院量子信息重点实验室、中国科技大学)

《中国科学新闻》(新知，第8版，2015年11月20日)