量子芯片是什么東西

量子芯片是什么東西

所謂量子芯片就是將量子線路集成在基片上，進(jìn)而承載量子信息處理的功能。

借鑒于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，量子計(jì)算機(jī)的研究在克服瓶頸技術(shù)之后，要想實(shí)現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，需要走集成化的道路。超導(dǎo)系統(tǒng)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)、微納光子學(xué)系統(tǒng)、甚至是原子和離子系統(tǒng)，都想走芯片化的道路。從發(fā)展看，超導(dǎo)量子芯片系統(tǒng)從技術(shù)上走在了其它物理系統(tǒng)的前面；傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)也是人們努力探索的目標(biāo)，因?yàn)楫吘箓鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展已經(jīng)很成熟，如半導(dǎo)體量子芯片在退相干時(shí)間和操控精度上一旦突破容錯(cuò)量子計(jì)算的閾值，有望集成傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)的現(xiàn)有成果，大大節(jié)省開發(fā)成本。

量子芯片的研究

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授郭國平、肖明與合作者成功實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系的兩個(gè)電荷量子比特的控制非邏輯門，成果于2015年7月17日發(fā)表在《自然—通訊》上 。中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭國平教授半導(dǎo)體量子芯片研究組及其合作者又破世界紀(jì)錄，通過實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)世界上最快速量子邏輯門操作，取得半導(dǎo)體量子芯片研究的重要突破。

半導(dǎo)體量子點(diǎn)由于其良好的擴(kuò)展性和集成性是實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算的最有力候選者。由單電子在雙量子點(diǎn)中的左右量子點(diǎn)的占據(jù)態(tài)編碼的電荷量子比特有眾多的優(yōu)越性，成為量子計(jì)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范圍的調(diào)節(jié)，達(dá)到GHz的頻率；其次，電荷量子比特的制備、操控和讀取可以用全電學(xué)操控來完成；最后，電子電荷自由度作為量子比特可以與現(xiàn)有信息處理技術(shù)兼容，并且可以利用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)完成大面積的擴(kuò)展和集成。

一個(gè)單量子比特邏輯門操控和一個(gè)兩量子比特受控非門可以組合任意一個(gè)普適量子邏輯門操控，而實(shí)現(xiàn)普適量子邏輯門操控是實(shí)現(xiàn)量子信息處理過程的最關(guān)鍵技術(shù)。國際上主要有美國哈佛大學(xué)、威斯康星大學(xué)等集中在電子電荷量子比特的量子計(jì)算研究，我們研究團(tuán)隊(duì)在2013年成功實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體超快普適單比特量子邏輯門（Nat. Commun.，4.1401，2013），經(jīng)過兩年的摸索和積累，研究組在2015年成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電荷量子比特的控制非門，其操控最短在200皮秒以內(nèi)完成。相對(duì)于國際上電子自旋兩量子比特的最高水平，新的半導(dǎo)體兩量子比特的操控速度提高了數(shù)百倍。單比特和兩比特的量子邏輯門的完成，表明量子計(jì)算所需的所有基本量子邏輯門都可以在半導(dǎo)體上通過全電控制方式實(shí)現(xiàn)。這種方式具有操控方便、速度超快、可集成化、并兼容傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子技術(shù)等重要優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)一步研制實(shí)用化半導(dǎo)體量子計(jì)算的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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