量子芯片

中科院量子信息重點實驗室教授郭國平、肖明與合作者成功實現了半導體量子點體系的兩個電荷量子比特的控制非邏輯門，成果於2015年7月17日發表在《自然—通訊》上 ^[1]  。中科院量子信息重點實驗室郭國平教授半導體量子芯片研究組及其合作者又破世界紀錄，通過實驗成功實現世界上最快速量子邏輯門操作，取得半導體量子芯片研究的重要突破。 ^[2] 

傳統砷化鎵半導體量子點量子比特研究 ^[3] 

半導體量子點由於其良好的擴展性和集成性是實現固態量子計算的最有力候選者。由單電子在雙量子點中的左右量子點的佔據態編碼的電荷量子比特有眾多的優越性，成為量子計算研究最熱門的研究方向。首先，電荷量子比特門操作速度可以較大範圍的調節，達到GHz的頻率；其次，電荷量子比特的製備、操控和讀取可以用全電學操控來完成；最後，電子電荷自由度作為量子比特可以與現有信息處理技術兼容，並且可以利用先進的半導體工藝技術完成大面積的擴展和集成。

一個單量子比特邏輯門操控和一個兩量子比特受控非門可以組合任意一個普適量子邏輯門操控，而實現普適量子邏輯門操控是實現量子信息處理過程的最關鍵技術。國際上主要有美國哈佛大學、威斯康星大學等集中在電子電荷量子比特的量子計算研究，我們研究團隊在2013年成功實現了半導體超快普適單比特量子邏輯門（Nat. Commun.，4.1401，2013），經過兩年的摸索和積累，研究組在2015年成功實現兩個電荷量子比特的控制非門，其操控最短在200皮秒以內完成。相對於國際上電子自旋兩量子比特的最高水平，新的半導體兩量子比特的操控速度提高了數百倍。單比特和兩比特的量子邏輯門的完成，表明量子計算所需的所有基本量子邏輯門都可以在半導體上通過全電控制方式實現。這種方式具有操控方便、速度超快、可集成化、並兼容傳統半導體電子技術等重要優點，是進一步研製實用化半導體量子計算的堅實基礎。

圖示為單量子比特操控和兩量子比特操控實驗樣品和實驗測量圖。

新型非摻雜砷化鎵和硅鍺異質結量子比特的製備和操控研究

傳統的砷化鎵量子點是基於摻雜的砷化鎵鋁異質結中的二維電子氣上形成的。由於摻雜不可避免的削弱電子電荷和自旋的穩定性，從而增加了量子比特受到摻雜電子電荷噪聲的影響，縮短了量子比特的弛豫時間，加快了量子比特的的退相干過程。以解決上述問題為目標，分別採用非摻雜GaAs和SiGe異質結進行新型雙層結構量子點器件的設計和製備，減小電荷噪聲的影響，排除核自旋的影響，延長量子比特的退相干時間，實現單電子電荷和自旋量子比特的製備、測量和操控。新型量子點器件是繼承傳統量子點器件可集成性等優勢的同時，又具有高遷移率、強穩定性的增強型量子點研究體系，是實現多量子比特耦合的基礎。

基於非摻雜砷化鎵異質結的電荷量子比特和基於非摻雜SiGe異質結的電子自旋量子比特研究都是相關研究中的新興熱門領域，特別是基於SiGe量子點的自旋量子比特由於其沒有核自旋，具有較長的量子退相干時間。我們研究團隊成功製備了兩種材料的雙量子點器件，完成了砷化鎵量子點的表徵和電子弛豫時間以及退相干時間的測量，正在開展進一步的實驗研究。

圖示為新型非摻雜砷化鎵和硅鍺雙量子點樣品的結構圖和實驗測量。

半導體量子點與超導腔耦合的複合量子比特以及多量子比特擴展

基於半導體量子點的量子計算方案都是利用相鄰量子點量子比特之間的交換相互作用來實現多比特的量子邏輯門操作，非近鄰量子比特之間的邏輯門操作需要通過一系列近鄰門操作組合完成，這大大增加了計算過程中邏輯門操作的數量和難度。最近有些理論工作提出借用超導量子比特系統中的超導傳輸諧振腔等概念來實現半導體量子點非近鄰量子比特耦合的量子數據總線，但是相應的實驗還處於起步和摸索階段。不過半導體量子點和超導諧振腔為我們提供一種嶄新的物理體系，同時很好的兼容了傳統半導體產業各種微納米工藝和技術，在未來的信息處理器中具有廣闊的應用前景。我們團隊提出了最早的非強耦合條件下的超導傳輸諧振腔與量子點量子計算理論方案（Phys. Rev. Lett. 101, 230501 (2008).），大大降低了實驗的要求和難度。

我們研究團隊在半導體量子點的製備和操控方面積累了大量的實驗經驗和技術，對超導諧振腔體的製備和表徵也掌握關鍵的工藝技術。經過幾年研究積累，完成了超導諧振腔與石墨烯雙量子點以及超導諧振腔與兩個石墨烯雙量子點實現遠程耦合的實驗研究，以此為基礎着力於解決半導體量子點多比特之間的耦合問題，具有很大的理論和實驗挑戰性。我們的這些前期工作已屬於世界研究前列，結合已開展的半導體量子點處理單元和測量單元研究，集中推進基於固態量子比特的多量子比特擴展研究。

基於新型二維材料（Graphene，TMDS）體系的量子器件製備和量子物理研究

“量子芯片”是未來量子計算機的“大腦”。 2016年2月，國際權威雜誌《物理評論快報》發表了中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室郭國平研究組在量子芯片開發領域的一項重要進展。該成果由郭國平研究組及合作者完成，首次在砷化鎵半導體量子芯片中成功實現了量子相干特性好、操控速度快、可控性強的電控新型編碼量子比特。研究組利用半導體量子點的多電子態軌道的非對稱特性，首次在砷化鎵半導體系統中實現了軌道雜化的新型量子比特，巧妙地將電荷量子比特超快特性與自旋量子比特的長相干特性融為一體，實現了“魚”和“熊掌”的兼得。實驗結果表明，該新型量子比特在超快操控速度方面與電荷量子比特類似，而其量子相干性方面，卻比一般電荷編碼量子比特提高近十倍。同時，該新型多電子軌道雜化實現量子比特編碼和調控的方式具有很強的通用性，對探索半導體中極性聲子和壓電效應對量子相干特性的影響提供了新思路。 ^[4] 

2018年2月，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在半導體量子芯片研製方面再獲新進展，創新性地製備了半導體六量子點芯片，在國際上首次實現了半導體體系中的三量子比特邏輯門操控，為未來研製集成化半導體量子芯片邁出堅實一步。國際應用物理學權威期刊《物理評論應用》日前發表了該成果。 ^[5] 

2022年11月，我國第一條量子芯片生產線正在緊鑼密鼓生產“悟空芯”——為量子計算機“悟空”配套的量子芯片。 ^[8] 

據國外媒體報道，當前計算機數據是由1和0表示的，然而，量子計算機能夠使用亞原子粒子編碼數據。專家認為，量子比特同時具有兩種狀態，能夠顯著提高計算速度和能力。谷歌公司與科學家聯手研製量子級計算機處理器，有望未來使機器人像人類一樣“獨立思考問題”。

美國加州大學聖塔芭芭拉分校物理學家約翰-馬蒂尼斯（John Martinis）是超導量子計算領域的資深研究員之一，他與谷歌公司建立合作關係，在量子人工智能實驗室進行研究工作。

谷歌公司工程部主管哈爾穆特-內文（Hartmut Neven）説：“該量子人工智能實驗室能夠實施和測試量子最優化和推理處理器的最新設計。” ^[6] 

谷歌公司致力於自動駕駛汽車和機器人研究，開始日益聚焦人工智能技術。谷歌公司收購DeepMind Technologies人工智能公司，DeepMind Technologies創始人之一、神經系統科學家傑米斯-哈薩比斯（Demis Hassabis）兩年前曾嘗試研製像人類一樣思考的計算機。

然而，DeepMind Technologies另一位創始人謝恩-雷格（Shane Leg）警告稱，人工智能是本世紀最危險的技術之一，認為它將導致人類滅絕。 ^[6] 

“量子衞星之父”潘建偉：15年後用量子芯片防盜刷

46歲的“學霸”科學家潘建偉近期再度受關注，是因為我國發射的世界上首顆量子科學實驗衞星“墨子號”。預計在11月中旬，這顆衞星將完成全部在軌測試工作，開始國際前沿量子科學實驗。潘建偉正是這顆量子衞星的首席科學家。 ^[7] 

在11月5日舉行的“2016年中國科技傳播論壇”上，潘建偉表示，將用15年左右時間，構建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯網，即量子互聯網。他説，“量子稱霸”為時不遠。

“有國外同行把量子衞星比喻為前蘇聯的‘伴侶號’衞星，那是人類第一顆人造衞星，所以‘墨子號’的開創性不言而喻。”潘建偉自豪地説。

量子通信與普通老百姓的生活有關嗎？他介紹説，中國力爭到2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡，並在此基礎上，構建信息充分安全的“量子互聯網”。開始可能國防安全用得比較多，如果這個秘鑰好用的話，馬上緊接而來的可能是金融領域，因為他們有一些保密性特別強的數據，需要這個技術。當然再過幾年成本低下來之後，每個老百姓的手機、銀行賬號裏也可以用這種方法來進行保密。

他甚至給出了一個量子通信技術普及的時間表：5年左右很多機要部門開始用，10年左右金融業、銀行等大機構開始使用，15年的時間或許走進千家萬户。屆時，每個人的家裏只要裝上一個量子加密芯片，那麼，銀行轉款、電子賬户等涉密操作，都不用擔心被盜用或者攻擊。 ^[7] 

也許就在不遠的將來，量子通信技術將如同手機、電腦一般，走入尋常百姓家。 ^[7]