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從量子點到量子環 改變的不只一個字

導讀: 量子計算已經成為時下最火熱的研究項目之一,而作為信息載體的量子比特的實現方式,是量子計算機研究的一項關鍵性技術。
量子計算已經成為時下最火熱的研究項目之一,而作為信息載體的量子比特的實現方式,是量子計算機研究的一項關鍵性技術。
近日,來自中科院微電子研究所和浪潮電子信息產業有限公司的產學研合作研發團隊,聯合重慶郵電大學、廈門大學相關研究人員發表論文,提出以多電子半導體量子環構建量子計算機的理論設想,豐富了量子比特實現方式。
作為該文通訊作者,中科院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心吳振華研究員接受科技日報記者采訪時表示:“用半導體量子環構建量子比特,這是基于現有成熟半導體工藝構筑量子計算機的新構想。”
晶體管尺寸接近物理極限
最近40年,微電子產業一直遵循著摩爾定律的預測持續、高速發展。
“但是隨著技術的進步,器件集成度越來越高,芯片上的晶體管數目越來越多,單個晶體管尺寸越來越小。可以說當前的半導體芯片的發展已經接近尺寸上的物理極限,摩爾定律的時代即將終結,急需發展新的計算原理和新的器件架構來滿足不斷增長的計算需求。”吳振華解釋道,“在此背景下,各國科學家大力研究量子力學規律,發展量子計算與量子信息技術,以期研制出可替代傳統計算機的實用化量子計算機,實現超高量子并行的超級計算能力。”
“量子計算機通過疊加和糾纏的量子現象來實現計算能力的增長。量子疊加使量子比特能夠同時具有0和1的數值,可進行‘同步計算’。每增加一個量子比特,運算性能就翻一倍。”另一位論文通訊作者、浪潮人工智能與高性能計算部劉羽博士表示。
目前,谷歌、微軟、IBM、英特爾等科技公司都已經布局量子計算的研究。劉羽介紹說,IBM宣稱已成功開發出一臺50位量子比特的原型機;谷歌量子硬件負責人約翰·馬丁尼斯則在去年10月透露谷歌已擁有22個量子比特的芯片;中國也在2017年5月初發布了世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機,成功實現了10個超導量子比特糾纏,預計不久的將來可以實現操縱20個超導量子比特。
滿足幾項特定“指標”才能更優質
優質的量子比特實現方式一般需要滿足幾項特定的要求,如較為容易的物理載體的實現方式、容易的初態制備和操作、較長的相干時間等等。
“目前量子比特的實現方案主要包括超導回路、囚禁離子、半導體量子點、金剛石空位、拓撲任意子、光子等等,其中每一種技術都有自己的優點和缺點,未來最終路線尚不明確。”吳振華告訴記者。據他介紹,上述方案中,半導體量子點方案最具核心優勢,其可利用現有半導體工藝基礎開發、操作速度快、易于實現高密度集成,從而吸引了眾多研究機構的關注。
“但是半導體量子點中強烈的量子限制效應使得電子相干時間短,電子糾纏困難。針對這個問題,我們利用組態相互作用(configuration interaction)方法,從理論上研究了包括3到6個電子的半導體量子環中的多電子態,發現量子環中電子數目不同,電子間會耦合形成不同的糾纏態,并可隨外加磁場、電場的不同而呈現出不同特征,從而實現量子態的調控。此外,我們的研究還系統闡述了通過光學測量量子環特征的方案。”劉羽介紹說。
可利用現有半導體工藝實現
在吳振華和劉羽看來,以多電子半導體量子環構筑量子比特,是對現有單電子半導體量子點方案的新構想。實現量子計算的主要障礙是用于計算的量子態難以保持,就是常說的相干時間短。研究表明,相對于半導體量子點,半導體量子環的限制勢易于調節,電子的相干時間更長,利于實現更多的量子比特操作。半導體量子點只能對單個電子自旋進行精細操控,對實驗要求高難度大。而多電子量子環利用電子數目和電子自旋態混合編碼實現量子比特,因此擁有更多的可操作自由度。此外量子點中,電子被束縛在零維空間。量子環中電子還具有在準一維空間軌道運動的自由度,提供了自旋這種電荷以外新的編碼可能。
不僅如此,“與半導體量子點一樣,量子環同樣可以利用現有的半導體工藝實現,從而可以基于現有技術較為平滑地從經典的半導體芯片過渡到量子芯片。”吳振華說。
這項全新的研究成果還是產學研合作結出的碩果。劉羽表示:“該研究使用了較為嚴格和精確的理論模擬方法,但計算量巨大,微電子研究所與浪潮集團的產學研合作,充分發揮了浪潮在高性能計算領域的優勢。雙方還將繼續推進合作,在量子計算領域尋求新的突破。”

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