量子芯片的研究现状与应用
刘瀛旻 刘芬 尤瑞松
摘 ?要：随着集成电路工艺的发展，摩尔定律逐渐走向终结，于是科学家们转向量子芯片的研究。目前最有前途的量子芯片分别是超导体系、半导体体系和离子阱体系。超导量子芯片电路设计难度随着比特数增多而增大，目前已实现20个超导量子比特的量子芯片。离子阱量子计算性能优异，但体积庞大，目前IonQ公司已实现13个171Yb+ 离子组成的离子阱系统11位全连接可编程量子计算机。半导体量子芯片的计算性能不如这两种，但是由于传统半导体工艺现在已基本成熟，只要在实验室里能够实现样品芯片，理论上讲大规模工业生产就不存在问题。目前科学家们认为未来将很快实现10个量子比特的纠缠。量子芯片的研究将带来计算速度的提升、量子通信安全性的实现等优势。文章简要介绍了近年来量子芯片的研究进展以及对未来应用的展望。
关键词：超导量子芯片;半导体量子芯片;离子阱量子芯片;量子计算机
中图分类号：O471 文献标识码：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
仙童半導体公司的Gordon Moore提出：当价格不变时，每过18—24个月，集成电路上可容纳的元器件的数目约翻一倍，性能提升一倍[1]。多年来摩尔定律一直是可靠的电子技术进步预测规律。目前最先进且已经成功实现量产的CMOS工艺是台积电的7nm FinFET工艺，已成功应用于华为海思研制的麒麟990和高通的骁龙865处理器。
晶体管存在极限尺寸。由于海森堡不确定原理，晶体管的尺寸不可能无限制缩小，目前存在的晶体管的尺寸已经接近物理极限。器件尺寸的减小会导致加工的难度与成本增大，等离子刻蚀机、浸润式光刻机等纳米加工设备的换代成本更是达到数百亿美元。此外，当器件尺寸达到纳米量级时，量子隧穿效应将变得非常显著[2]，晶体管中的电流会因此变得难以控制，可能会出现的量子尺寸效应将会导致经典计算机的计算结果准确性降低[3]。此外，上亿个CMOS器件在一个芯片上高速工作将会导致严重的发热问题[4]，这都将大大降低器件的稳定性。为了突破这种尺寸极限，D—Wave、微软、IBM等公司纷纷瞄准了下一代芯片——量子芯片。
量子芯片是量子计算机的核心部件。目前最有前途的量子芯片分别是超导、半导体和离子阱量子芯片。超导量子芯片电路设计难度随着比特数增多而增大;而半导体量子芯片计算性能不如另两种，但完全基于传统半导体工艺，只要科学家能在实验室里实现样品芯片，其大规模工业生产理论上不存在问题;离子阱量子计算性能优异，但体积庞大。
二、量子芯片的工作环境
量子芯片的工作环境十分重要。嘈杂的环境会导致量子态被破坏，保存的信息丢失;而过高的环境温度将会导致量子态的演化难以控制。超导量子芯片和半导体量子芯片工作在几十毫开的极低温下，离子阱量子芯片一般可以工作在室温中。各种环境扰动也会对量子比特产生影响，它们之间也有相互作用[5]。因此，在实验中要对芯片进行机械固定。此外，量子计算需要进行纠错。至少需要4个[6]，或多达数千个量子比特才能成功对一个量子比特进行纠错[7]。2012年，Fowler A G等人提出Surface Code[8]量子芯片结构，2019年清华大学L.Hu等人实现了对逻辑比特的连续纠错，成功将相干时间延长了2.8倍，同时实现了对单个逻辑比特高保真度通用量子门操作，保真度为97.0%[9]。
三、超导量子芯片
利用约瑟夫森结及相邻电容可以构成非线性LC振荡电路。之后将该电路量子化就可以构建出超导量子比特。超导比特已由最初的Charge qubit[10]、Flux qubit[11]和Phase qubit[12]衍生出超导Transmon qubit、Xmon qubit[13]、Gmon qubit[14]。超导量子比特的单比特门可以使用微波脉冲实现，两比特门可用微波脉冲或方波脉冲实现。
（一）超导约瑟夫森结
超导量子电路可以利用微纳加工工艺，其核心元件是超导约瑟夫森结。中间的绝缘层厚度一般小于10nm，这样两块超导体内的Cooper电子对通过隧穿效应穿过绝缘层可以到达另一边。器件的外界电磁偏置使两块超导体的波函数的相位差产生联系，使得电子具有相当高的橫跃此薄层量子力学的振幅。这种量子隧穿效应可以用来制作量子器件。
（二）超导谐振腔
1.共面波导
共面波导制备在介质基片表面，在紧邻中心导体带的两侧有导体平面，其中中心导带用来传输微波信号，两侧的导带与地面相连。共面波导没有截止频率，其电容、电感、导抗和阻抗均匀沿着共面波导信号传播的方向。沿着信号传播方向，其波导的阻抗处处相等，信号能够几乎没有损耗地通过。共面波导已在很多电路中取代了微带线，并且在毫米波、亚毫米波以及光学集成电路中逐渐成为主流[16]。
2.谐振腔
如果传输线长度有限或因阻抗的变化而产生节点，则微波信号将在节点处反射。实验上可以在传输线两端构建电容节点，将其连接到信号极板或其他装置上。当微波信号遇到电容节点时，它将来回反射，在这段传输线中形成谐振。由于电磁场完全集中于腔内，没有辐射损耗。
（三）超导量子芯片结构
每个量子比特的X、Y、Z控制线均靠近SQUID区域以获得最佳操控效果。通过XY线传输微波信号可以实现能级的翻转等操作，这种信号可以使量子比特从基态跃迁到激发态。改变Z线的电流将会改变其外加磁场，与此同时SQUID的磁通也会发生变化。而磁通的变化会导致量子比特的能级结构改变，使其频率发生变化。为了避免不同量子比特操控通道之间的串扰，需要对量子芯片封装空间进行隔断以阻止泄露信号对临近量子比特的影响。
每个量子比特都使用单独的读取腔实现读取以避免读取腔中有多比特成分。所有的量子比特读取腔均接入滤波器，使得所有的量子比特读取合并，最后通过公共通道输入。
（四）超导量子芯片目前进展
2018年3月，Google成功研制出具有72量子比特的Bristlecone量子处理器。超导量子比特的弛豫时间已经从纳秒量级提升到毫秒量级，接近可实用化的下限[17]。2017年，超导量子芯片的相干时间已经可以高于逻辑门操作时间1000倍以上;而单量子比特门的运算保真度达到了99.94%。同时，双量子比特门的保真度也达到了99.40%，这已经成功满足量子计算理论的容错率阈值要求。
2019年8月，浙江大学Chao Song等人成功研制含有20个量子比特的超导量子芯片，并通过该量子芯片成功实现了全局纠缠。该团队报道了一个18量子比特GHZ态的确定性生成以及在一个量子处理器上实现20量子比特的多组分原子“薛定谔的猫”态，特点是20个超导量子比特，也适用于由总线谐振器互连的人造原子[18]。
四、半导体量子芯片
与另外两种系统的量子芯片相比，半导体量子计算的保真度较低。但半导体量子点具有可容错性和可拓展性，能够与现有的半导体芯片工艺兼容。
（一）半导体量子芯片器件
1.量子光源及滤波
目前量子光源主要分为三种：①连续变量光源。这种光源又分为相干态光源和压缩态光源。相干态是一种具有标准量子噪声的量子态。而压缩即对光量子噪声的压缩。②单光子光源。光子具有不可分离性，因此它是一种理想的载体。其制备可以通过激光衰减法、共振荧光特征和单分子法等来制备。③纠缠态光源。目前其制备方法主要有离子阱、腔QED等[19]。
2.片上量子态调控
当完成量子光源的制备及滤波后，需要对相应的量子态进行操作演化。其中所需要的光学元件是耦合器和相位控制器。最简单的可动态调控的MZ干涉仪可由两个级联的耦合器，中间加上相位调控实现。
3.单光子探测器
当完成滤波和量子态演化操作之后，需要使用单光子探测器将光子信号转化为电信号，以便后续统计分析[20]。
4.光纤—芯片间的耦合
当两波导相距很近时，其内部的模式将会发生耦合。耦合主要有端面耦合与光栅耦合两种类型。其中端面耦合是位于光芯片边缘的耦合器，光纤同波导结构在端面处实现光信号。而光栅耦合在波导表面二次刻蚀衍射光栅，然后通过该结构将光信号耦合进芯片。若将两个耦合器级联，可以实现最简单的MZ干涉仪;若级联多个耦合器，则可以实现更复杂的多光子纠缠门，如两比特概率CNOT门。
（二）半导体量子芯片原理
Loss 和DiVincenzo提出基于门控量子点操纵单电子自旋。使用半导体工艺生长出半导体异质结晶片，在其上刻蚀出金属门电极，加上负压，多层半导体异质结之间就可以形成具有特定形状的二维电子气。再使用直流电极施加恒定电压，二维电子气中的电子被束缚在0维势阱中，逐个清空以获得单电子，这些电子在百纳米大小的区域内运动。
在外加磁场的作用下，由于具有塞曼效应，发光谱线发生分裂且偏振，每个电子轨道劈裂成自旋向上和向下的两能级结构。此外，可以利用电子的其他自由度构建电荷量子比特，或将光子作为量子比特。半导体量子比特之间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电偶极矩自旋共振来激发，其读取主要使用电荷传感器QPC或者SET。
单比特逻辑门可以使用微波脉冲实现，两比特门则可以使用门控电压脉冲调控。利用硅基纳米光波导技术实现的光量子芯片具有很多优点，比如与传统微电子加工工艺兼容、可集成度高、非线性效用强、工作波长与光线量子通信兼容等[21]。
（三）半导体量子芯片目前进展
2014年，UNSW研制出退相干时间高达120微秒自旋量子比特;2017年，日本理化研究所在硅锗系统上获得了保真度超过99.9%的量子比特;2019年，布里斯托大学Daniel Llewellyn等人，实现了硅基集成光量子芯片上的多体量子纠缠和芯片—芯片间的量子隐形传态功能。隐形传态保真度为目前最高的0.90，未来将会实现10个光子纠缠态[22]。
五、离子阱量子芯片
（一）离子阱量子芯片原理
在该类型芯片中，用离子的内态能级编码量子位，而用晶态离子的集体振动声子态编码运动量子比特位。用于产生量子比特的原子就在芯片的中心位置，被激发并被电磁场和库仑相互作用所束缚。在高真空中使用电磁场捕获离子化的原子可形成电离后原子的势阱。
离子阱量子比特之间的相互作用力为库仑力。在实验中，可以用脉冲或激光来操控单个比特，两比特门通过选择性驱动两比特之间的振动模式来实现。由于其量子比特的能级频率近似全同，因此很难对选择性量子逻辑门进行操作。可以先将离子阱分为多个存储区和操作区，把目标离子转移到操作区进行量子算法，最后再移回存储区，这样就可以完成任意两离子的联合操作，从而完成任意两比特门[23]。
2002年，Kielpinski D等人提出QCCD思想[24]。可以利用这种将电极分段的思想使宏观离子阱转变为分段四极宏观阱结构，如图2（a）。其中，分段四极宏观阱的外端分段直流控制电极是宏观离子阱中的锥形帽电极。该结构的缺点是难以微型化。可以利用半导体工艺技术，将其微型化为双层离子阱。首先在半导体基板中刻蚀一条间隙，在间隙两侧的衬底上下面制造出电极以在该间隙中捕获离子，或者也可以堆叠多块衬底形成双层结构[25]。它具有囚禁势阱对称性好、势阱深等优点，但是同时具有制作工艺较为复杂，不易单片集成和限制区扩大等缺点。三层离子阱可以对离子微运动进行补偿和对离子输运更精细的电极控制，但也不易集成单个芯片和限制区扩展。
（二）离子阱芯片目前进展
2018年12月，IonQ公布了两款具有160个存储量子比特和79个量子比特的新型离子阱量子计算机，超越了谷歌的72个量子比特的Bristlecone处理器的最佳噪声超导量子计算机。该新型离子阱计算机可以在室温下工作，不受退相干时间的限制;因为其量子位是离子而不是约瑟夫森结，所以量子位的制造没有错误，没有读出错误，也没有量子位生命周期等问题;同时，该量子计算机还拥有可扩展到数千个量子比特的接口。
2019年，IonQ研制出由13个171Yb+ 离子组成的离子阱系统11位全连接可编程量子计算机。其中平均单个量子比特门的保真度为99.5%，平均两比特门的保真度为97.5%，SPAM错误率为0.7%[26]。
六、量子芯片的未来展望
目前量子芯片还有一些不足。例如，一些物理系统需求的工作环境温度较低，工作环境要求较为严格，可实现纠缠的量子比特较少，离商用化还有很大的距离等，但量子芯片目前已能实现一些应用。
量子芯片是量子计算机的核心。2019年1月，IBM发布了首台商用化量子计算机IBM Q System One，可提供顾客在网络平台上实现量子计算[27]。
量子芯片可应用于模拟。量子计算在未来可能可以对反应和材料进行建模。例如，对线弹性材料的模拟，需要模拟完全不具有方向敏感性的各向同性材料，需要考虑杨氏模量、剪切模量和泊松比等因素，这些要求可能超出了经典计算机的处理能力。而量子计算机可以更高效地完成模拟，研究者可以不用再耗费大量时间精力、大量资金和材料。而更快、更好的模拟途径将会带来巨大价值。
量子芯片可以应用于银行。由于量子比特具有的不可复制性，可以将身份证或银行卡中的IC芯片替换为量子芯片，即可实现防盗刷，从而确保客户的资金等的安全性[28]。
同时，在量子通信方面，科学家们已经成功实现了基于芯片的量子秘钥分发[29]，以及将多功能模块集成到单块芯片上，并实现了在实验中对MDI—QKD协议进行了演示。此外还在量子芯片上实现了量子隐形传态[30]、芯片间纠缠分发[31]以及量子中继器。
未来期待着未来量子芯片在各个领域发挥其更大的优势。
参考文献：
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