超導(dǎo)量子比特的基本原理及結(jié)構(gòu)特征

文章來源：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng) 原文作者：鄭文 于揚(yáng)

超導(dǎo)量子計(jì)算核心器件，是量子計(jì)算的關(guān)鍵。它以其獨(dú)特的超導(dǎo)性質(zhì)，為我們打開了探索量子世界的大門。

摘要

算力是數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代新的生產(chǎn)力。量子計(jì)算基于量子力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，人們普遍相信它可以在不久的將來在某些問題上完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無法完成的計(jì)算任務(wù)，實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。作為最有可能實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的平臺之一，以約瑟夫森結(jié)為核心元件的超導(dǎo)量子比特，在量子控制和量子測量方面具有穩(wěn)定、可靠、便于設(shè)計(jì)和擴(kuò)展等獨(dú)特的優(yōu)勢，受到科學(xué)界甚至產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，正在高速發(fā)展。文章圍繞約瑟夫森結(jié)這一具有非線性和無耗散特征的超導(dǎo)量子器件，闡述了超導(dǎo)量子比特的基本原理及結(jié)構(gòu)特征，重點(diǎn)介紹超導(dǎo)量子芯片設(shè)計(jì)、加工方面的前沿進(jìn)展，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行簡單的展望。

01引 言

現(xiàn)代信息社會的進(jìn)步離不開計(jì)算機(jī)芯片日新月異的發(fā)展。在20世紀(jì)50年代左右，科學(xué)家們找到了一種性能優(yōu)越、成本低廉的芯片計(jì)算單元——硅半導(dǎo)體晶體管。此后按照摩爾定律，晶體管集成度每18個月增加1倍，造就了蓬勃發(fā)展的數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代。如今集成電路芯片最先進(jìn)的制程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3 nm并開始邁入2 nm制程。在該尺度下，材料中微觀原子的量子效應(yīng)成為芯片繼續(xù)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致摩爾定律不再適用。于是，人們開始尋找新的計(jì)算方式，其中就包括量子計(jì)算。

區(qū)別于經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片中的計(jì)算單元是用晶體管的兩種不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)0和1的二進(jìn)制編碼計(jì)算操作，量子芯片中量子比特是依據(jù)量子態(tài)可以處于0和1的相干疊加狀態(tài)，進(jìn)行量子操控。根據(jù)量子力學(xué)原理，N個比特就可以對2N個疊加的數(shù)同時進(jìn)行并行運(yùn)算。量子芯片獨(dú)特的性質(zhì)預(yù)示著量子計(jì)算在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代有著潛在的巨大優(yōu)勢。如今，面向大規(guī)模集成的量子芯片也在尋找屬于自己的“量子晶體管”，基于約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)量子比特就是最有希望的候選者之一。

超導(dǎo)量子計(jì)算發(fā)展至今已有二十余年，得益于在芯片設(shè)計(jì)、加工制備和測試封裝等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，已在隨機(jī)線路采樣方面實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)勢[1，2]。特別地，以谷歌和IBM為代表的科技公司提出：在近十年內(nèi)構(gòu)筑百萬比特量級的超大規(guī)模超導(dǎo)量子處理器，最終實(shí)現(xiàn)以量子計(jì)算為中心的超級計(jì)算。此外，其他傳統(tǒng)科技公司如阿里巴巴、華為、騰訊，或初創(chuàng)公司如Rigetti、IQM、量旋、本源量子等也加入到超導(dǎo)量子計(jì)算這一賽道。超導(dǎo)量子計(jì)算初步形成產(chǎn)業(yè)鏈雛形，帶動著上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，要實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)，超導(dǎo)量子比特依然面臨著相干時間不夠長、測控精度不夠高、擴(kuò)展規(guī)模不夠大等挑戰(zhàn)。本文將從超導(dǎo)量子芯片的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，簡要介紹超導(dǎo)量子比特的基本原理和特性，解析超導(dǎo)量子比特在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)擴(kuò)展封裝和提高測控技術(shù)等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，評述超導(dǎo)量子比特在實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算過程中所具有的獨(dú)特優(yōu)勢以及面臨的挑戰(zhàn)。

02約瑟夫森結(jié)

超導(dǎo)量子比特可以作為“量子晶體管”的候選者，其核心器件是具有非線性、無耗散特點(diǎn)的約瑟夫森結(jié)。如圖1(a)所示，約瑟夫森結(jié)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)是S(超導(dǎo)體)—I(絕緣層)—S(超導(dǎo)體)“三明治”結(jié)構(gòu)。目前在超導(dǎo)量子比特中，常用的約瑟夫森結(jié)以金屬鋁為超導(dǎo)材料，鋁的氧化物為絕緣層，具有工藝加工簡單、穩(wěn)定等特點(diǎn)。

圖1 約瑟夫森結(jié)的結(jié)構(gòu)及原理 (a)約瑟夫森結(jié)的“三明治”結(jié)構(gòu)示意圖，包括兩層超導(dǎo)體和中間很薄的絕緣層。超導(dǎo)體中庫珀對凝聚的量子基態(tài)用波函數(shù)ψLR表示;(b)在偏置電流Ib作用下，約瑟夫森結(jié)等價于一個質(zhì)量為m的“人造原子”在勢能U中運(yùn)動。當(dāng)Ib?Ic，“原子”被很好地囚禁在單個勢阱內(nèi)，具有不等間距的量子能級。當(dāng)Ib接近于Ic時，“原子”將因?yàn)榱孔铀泶┑忍右莩鰟葳?(c)理想約瑟夫森結(jié)一般用“×”表示，可以等效為非線性電感Lj，實(shí)際中還包含一個電容Cj;約瑟夫森結(jié)在電路圖中通常用(d)圖的符號來表示;(e)由兩個約瑟夫森結(jié)形成環(huán)路的DC-SQUID結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)BCS理論，超導(dǎo)體中的電子會結(jié)成庫珀對，凝聚到一個宏觀基態(tài)，可以用波函數(shù)ψLR(t)=nLR(t)ei?LR(t)表示，其中概率幅nLR(t)的模平方正比于庫珀對密度，?LR(t)是規(guī)范相位。該結(jié)構(gòu)的中間絕緣層大約在1—3 nm，兩端超導(dǎo)體之間形成一個弱連接，所對應(yīng)的波函數(shù)有交疊，庫珀對可以量子隧穿通過絕緣層，在約瑟夫森結(jié)中形成超導(dǎo)電流I。這種結(jié)構(gòu)中會出現(xiàn)兩種現(xiàn)象[3，4]。

(1)直流約瑟夫森效應(yīng)。當(dāng)外加電壓V=0，且電流小于臨界電流Ic，絕緣層兩端始終保持零電壓現(xiàn)象，整個系統(tǒng)則一直處在無電阻狀態(tài)，并且超導(dǎo)電流滿足關(guān)系式I=Icsinφ，這里相位是絕緣層兩側(cè)超導(dǎo)體波函數(shù)之間的相位差φ=?R-?L。

(2)交流約瑟夫森效應(yīng)。在約瑟夫森結(jié)兩端施加直流電壓V，此時超導(dǎo)相位φ會隨著時間發(fā)生變化，結(jié)兩端電壓的關(guān)系滿足

，其中Φ0=2.0678×10-15 Wb為磁通量量子。由直流約瑟夫森關(guān)系，絕緣層兩端超導(dǎo)體中的庫珀對隧穿電流變?yōu)楦哳l交變電流，頻率與施加的直流電壓成正比。

顯然，如果超導(dǎo)電流對時間求導(dǎo)，很容易得到

。再由法拉第電磁感應(yīng)定律，類比普通電感公式

，可以得到一個有效電感為

，其中

。不同于普通器件的電感系數(shù)是一個恒定值，約瑟夫森結(jié)等效的電感會隨著絕緣層兩端超導(dǎo)體相位變化而非線性變化。于是，如圖1(b)所示，可以通過調(diào)控超導(dǎo)相位實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特殊能級結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，再依據(jù)調(diào)控特定的參數(shù)(如環(huán)路磁通、超導(dǎo)相位、庫珀對數(shù)目等)，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特。

此外，“三明治”結(jié)構(gòu)本身會有一個電容Cj產(chǎn)生，如圖1(c)所示(通常簡化為圖1(d))，約瑟夫森結(jié)可以看作是一個非線性電感Lj并聯(lián)電容Cj的LC振蕩電路系統(tǒng)。在超導(dǎo)量子芯片中，通過經(jīng)典的電路分析建立起系統(tǒng)的拉格朗日量，再通過引入正則量子化，根據(jù)量子力學(xué)可以研究整個系統(tǒng)的量子行為。值得注意的是，如圖1(e)所示，當(dāng)兩個約瑟夫森結(jié)并聯(lián)形成環(huán)路時，可以構(gòu)成直流超導(dǎo)量子干涉器件(DC-SQUID)。如果引入一個外部磁通Φext，環(huán)路中磁通量的變化將改變DC-SQUID等效的電感大小。這樣的特征使得DC-SQUID在超導(dǎo)量子計(jì)算和弱磁信號探測等方面有著豐富的應(yīng)用[5—10]。

03超導(dǎo)量子比特基本類型

一般來說，超導(dǎo)量子比特有三種基本類型：電荷比特、磁通比特和相位比特。這是由于實(shí)現(xiàn)量子比特的宏觀物理量分別是庫珀對數(shù)目變化、環(huán)路超導(dǎo)電流方向和偏置電流大小(即相位φ大小)。三種類型的超導(dǎo)量子比特需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特定的約瑟夫森能Ej、電荷能Ec和電感能El。接下來，我們將具體介紹三種量子比特的基本特征。

(1)電荷比特。首先是日本電氣股份有限公司(NEC)的研究人員在1999年從實(shí)驗(yàn)上觀測到量子態(tài)的相干振蕩[11]。該比特也被稱為庫珀對盒子(Cooper-pair box)，如圖2(a)所示，是單獨(dú)的一個約瑟夫森結(jié)，其中一端接地，另一端通過柵極電容Cg耦合外部信號源，可以調(diào)節(jié)柵極電壓Vg，以改變柵極電容上感應(yīng)的極化電荷ng=CgVg/2e。該比特的約瑟夫森結(jié)要足夠小，整個系統(tǒng)的電荷能

遠(yuǎn)大于約瑟夫森能Ej，沒有電感能，即Ej/Ec?1，El=0。其中，n為超導(dǎo)島上的庫珀對數(shù)量，是一個離散的變量。相鄰的庫珀對數(shù)目狀態(tài)

和

定義為量子比特狀態(tài)

和

。雖然n是一個整數(shù)，但ng是一個連續(xù)變量，通過改變柵極電壓控制超導(dǎo)島上庫珀對數(shù)目的變化，實(shí)現(xiàn)比特狀態(tài)的控制。在實(shí)驗(yàn)中，電荷噪聲影響ng導(dǎo)致很難實(shí)現(xiàn)長的相干時間。在當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)條件下，量子態(tài)相干時間僅有納秒量級。2002年，通過設(shè)計(jì)更大的約瑟夫森能Ej/Ec?1，對電荷比特在控制和讀取方面做了改進(jìn)，在噪聲不敏感點(diǎn)做量子操控，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電—磁混合量子(quantronium)比特[12]，相干時間達(dá)到微秒量級。

圖2 常見的超導(dǎo)量子比特類型 (a)實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)電荷比特的庫珀對盒子[11];(b)實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁通比特的照片及其調(diào)控示意圖[17];(c)實(shí)驗(yàn)上觀測到的相位比特的相干振蕩，其中Ω1和Ω2代表量子態(tài)相干振蕩圓頻率[20];(d)實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)電荷比特的樣品圖，左上圖片是等效電路圖[25]

(2)磁通比特。最初源于Leggett在1984年期間提出[13，14]用射頻超導(dǎo)量子干涉器件(RF-SQUID)來觀測磁通態(tài)之間宏觀量子相干振蕩，2000年Friedman等人在實(shí)驗(yàn)上觀測到了量子相干疊加[15]。但是受到關(guān)注的磁通比特是1999年代爾夫特理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)理論上提出[16]，在2003年實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)[17]的超導(dǎo)恒流(persistent-current)量子比特，如圖2(b)所示。它是由包括一個小的約瑟夫森結(jié)和兩個大的約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)環(huán)路組成，約瑟夫森結(jié)的作用是形成一個大的等效電感代替幾何電感，減小了整個電路的面積，從而降低環(huán)境對量子比特的影響，增加相干時間。此時系統(tǒng)滿足條件El/Ej~1，Ej/Ec?1。將環(huán)路中電流的順時針和逆時針方向定義為量子比特狀態(tài)，通過控制環(huán)路超導(dǎo)電流的方向?qū)崿F(xiàn)對量子比特的操控。由于比特對磁通噪聲很敏感，稍微遠(yuǎn)離最佳位置，磁通比特的相干時間就會顯著縮短[18，19]。

(3)相位比特。該比特由一個較大的約瑟夫森結(jié)組成，使系統(tǒng)滿足條件Ej/Ec遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。不同于電荷比特中庫珀對數(shù)目的變化和磁通比特中環(huán)路電流的方向定義量子比特，該比特只需要調(diào)控很小的超導(dǎo)電流變化，即可以用約瑟夫森結(jié)兩端的規(guī)范相位φ變化描述該系統(tǒng)，所以被稱作相位比特。如圖2(c)所示，相位比特首先在2002年由美國堪薩斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)上觀測到微秒量級長時間的相干振蕩[20]，之后加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究團(tuán)隊(duì)也觀測到該類型比特的相干振蕩[21]。這種比特可以調(diào)控出一個亞穩(wěn)勢阱，勢阱內(nèi)只有幾個能級，將其中最低的兩個能級定義為量子態(tài)

和

。勢阱內(nèi)能級越高的占據(jù)數(shù)，發(fā)生隧穿的概率越大。然而，與其他比特不同，當(dāng)占據(jù)數(shù)離開亞穩(wěn)態(tài)勢阱時，作為計(jì)算基矢的希爾伯特空間被破壞，因此該比特顯著的缺點(diǎn)是不適合非破壞性測量。相應(yīng)地，它的優(yōu)點(diǎn)是由于隧穿效應(yīng)，量子態(tài)測量的信噪比很高。

在21世紀(jì)初，電荷比特、磁通比特的相干時間都很短，相位比特雖然相干時間相對較長，但是在量子態(tài)測量方面有著天然的缺陷。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電路量子電動力學(xué)的發(fā)展[22—24]，人們通過優(yōu)化微納加工工藝和調(diào)整電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出很多種目前廣泛應(yīng)用的超導(dǎo)量子比特變體。值得注意的是，在2020年，馬里蘭大學(xué)的研究人員通過設(shè)計(jì)特殊的高阻抗器件，如圖2(d)所示，在系統(tǒng)滿足El/Ej~1/100，Ej/Ec~1條件下，找到了準(zhǔn)電荷(quasicharge)這一宏觀物理量描述該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了第四種類型的布洛赫量子(blochnium)比特[25]。相對于其他類型的超導(dǎo)量子比特，目前該比特對樣品加工設(shè)計(jì)要求苛刻，在今后的超導(dǎo)量子芯片加工設(shè)計(jì)中是否具有優(yōu)勢還需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

04超導(dǎo)量子比特新型結(jié)構(gòu)

為了提高超導(dǎo)量子比特的性能，包括相干時間、測控精度、規(guī)?；瘮U(kuò)展能力等，人們不斷對比特設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，下面主要介紹目前受到廣泛關(guān)注的幾種新型量子比特。

(1)并聯(lián)電容的電荷比特。目前大多數(shù)超導(dǎo)量子比特結(jié)構(gòu)采用的都是2007年耶魯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出的超導(dǎo)傳輸子(transmon)比特[26]，或是在它基礎(chǔ)上將約瑟夫森結(jié)一端接地實(shí)現(xiàn)如圖3(a)的X型超導(dǎo)傳輸子(Xmon)比特[27]。該類型比特是約瑟夫森結(jié)并聯(lián)一個大電容Cs，即Cs?Cj，此時傳統(tǒng)的電荷比特的能量條件變?yōu)镋j/Ec?1。大電容的分流作用會屏蔽結(jié)兩端極化電荷的漂移，比特能譜對電荷噪聲不敏感，可以實(shí)現(xiàn)更長的相干時間。目前transmon類型的比特相干時間已經(jīng)接近毫秒量級[28]。但是transmon類型比特犧牲了能譜的非諧性，限制了高精度量子門操作的速度。

圖3 受到廣泛關(guān)注的超導(dǎo)量子比特 (a)并聯(lián)大電容的電荷比特，約瑟夫森結(jié)一端接地，這種類型的transmon比特也叫作Xmon比特[27]。其中，左圖是Xmon樣品圖，右下圖是放大后約瑟夫森區(qū)域結(jié)構(gòu)，右上圖是相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖;(b)并聯(lián)大電容的磁通比特，也稱作c-shunt flux qubit[32]。其中，上圖為兩個并聯(lián)電容的磁通量子比特通過諧振腔耦合的樣品圖，下部為放大后比特A的電鏡圖以及三個約瑟夫森結(jié)的電鏡圖

(2)并聯(lián)電容的磁通比特。早在2007年，研究人員就提出并聯(lián)一個電容來解決磁通比特相干時間在非簡并點(diǎn)受到磁通噪聲影響的問題[29]，不過在2010年，IBM的研究人員首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)該比特的相干時間只有微秒量級[30]。接著在2016年，滑鐵盧大學(xué)[31]和麻省理工學(xué)院[32]的研究團(tuán)隊(duì)在Φ/Φ0=0.5π偏置點(diǎn)證實(shí)，該類型比特(圖3(b))擁有transmon比特對電荷噪聲不敏感的特點(diǎn)。相較于transmon類型比特，該比特不同約瑟夫森結(jié)的參數(shù)相差大，在樣品加工和磁通調(diào)控方面稍顯復(fù)雜。值得注意的是，隨著偏置磁通的變化，這類比特能譜非諧大小會發(fā)生變化。因此可以通過合適的參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)控比特能譜非諧，這在快速量子門操控和多比特高開關(guān)比耦合等方面有潛在的應(yīng)用。

(3)并聯(lián)電感的超導(dǎo)電感(fluxonium)比特。2009年耶魯大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的fluxonium比特[33]，既可以抑制電荷噪聲，同時又有很大的非諧，受到較大關(guān)注。它是由一個小型約瑟夫森結(jié)與一個大型線性電感L并聯(lián)而成的環(huán)路，其電感能El滿足El?Ej。等效電路結(jié)構(gòu)可以看作是一個約瑟夫森結(jié)并聯(lián)一個大電感，以抑制電荷噪聲。因?yàn)橐ＷC樣品加工中伴隨大電感產(chǎn)生的寄生電容Cp足夠小，以避免其產(chǎn)生的諧振模式導(dǎo)致結(jié)區(qū)的相位滑移，一般需要滿足條件(L/Cp)1/2?(Lj/C)1/2～RQ，其中，RQ=?/(2e)2?1 kΩ。由于現(xiàn)實(shí)中最大真空阻抗約為377 Ω，大電感通常用多個大的約瑟夫森結(jié)陣列串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，這在樣品加工中具有一定的挑戰(zhàn)性。隨著工藝制備和操控技術(shù)的提升，最近幾年制備如圖4(a)所示的fluxonium在長相干時間[34，35]、高保真度門操控[36，37]和規(guī)?；瘮U(kuò)展上具有一定的競爭力。

圖4 其他類型的新型超導(dǎo)量子比特 (a)fluxonium兩比特耦合樣品圖[37];(b)unimon比特示意圖[38];(c)改進(jìn)參數(shù)后實(shí)現(xiàn)0—π量子比特的樣品圖[43];(d)bifluxon比特的樣品圖[44]

(4)超導(dǎo)酉(unimon)比特。transmon比特相干時間長、樣品加工簡單，但是非諧小，限制了量子門操控和量子態(tài)讀取的速度。并聯(lián)電容的磁通比特和fluxonium比特能夠?qū)崿F(xiàn)較大的非諧，但是樣品參數(shù)設(shè)計(jì)和量子操控方式對樣品加工有較高要求。在2022年，芬蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出如圖4(b)所示的unimon比特[38]可以在一定程度上解決上述這些問題。該比特是直接在平面諧振腔中加入單個約瑟夫森結(jié)，等效電路圖可以看作是transmon并聯(lián)一個幾何電感。約瑟夫森結(jié)的作用是對原來諧振模式進(jìn)行修改，諧振模式提供的電感能遠(yuǎn)大于結(jié)區(qū)的電荷能El?Ej，而諧振模式提供的電荷能改變了整個系統(tǒng)的電荷能，此時該比特與transmon類似滿足Ej?Ec。在一定程度上實(shí)現(xiàn)比特在對電荷噪聲不敏感的同時也能降低對磁通噪聲的敏感程度，并且還可以通過調(diào)控磁通調(diào)節(jié)比特的非諧大小。該比特具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，易于加工制備等特點(diǎn)。不過因?yàn)橹C振模式的引入，該結(jié)構(gòu)在多比特操控方面是否有優(yōu)勢還有待驗(yàn)證。

(5)0—π量子比特。最近幾年，根據(jù)改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，量子態(tài)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的超導(dǎo)量子比特受到越來越多研究者的關(guān)注。早在2006年，基于約瑟夫森結(jié)陣列來實(shí)現(xiàn)糾錯的研究工作[39，40]，Kitaev提出直接利用約瑟夫森結(jié)陣列的電流鏡像效應(yīng)構(gòu)建具有兩種模式、對噪聲具有保護(hù)作用的0—π量子比特[41]。2013年，Brooks等人[42]進(jìn)一步研究由四個節(jié)點(diǎn)組成的0—π量子比特。這些節(jié)點(diǎn)由兩個大的超電感L、兩個約瑟夫森結(jié)和兩個大型分流電容C連接。超電感通常由約瑟夫森結(jié)陣列構(gòu)成，可以等效為常規(guī)的電感。但是該比特的設(shè)計(jì)參數(shù)在實(shí)驗(yàn)上幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。在2021年，普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過修改結(jié)構(gòu)的參數(shù)，一定程度上首次在實(shí)驗(yàn)中演示了圖4(c)中的0—π量子比特[43]，并證明了電荷不敏感處量子態(tài)對弛豫時間具有指數(shù)級保護(hù)，同時對磁通噪聲引起的相位退相干具有一階保護(hù)作用。這意味著拓?fù)浔Ｗo(hù)類型的超導(dǎo)量子比特在未來的量子芯片中具有一定的優(yōu)勢。

(6)超導(dǎo)雙磁通量子(bifluxon)比特。另外一個受到關(guān)注的是2021年由美國羅格斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出的如圖4(d)中具有對稱保護(hù)的bifluxon比特[44]。該比特在電路結(jié)構(gòu)上結(jié)合了quantronium和fluxonium兩種量子比特的特點(diǎn)，即由兩個參數(shù)相同的庫珀對盒子，并聯(lián)一個大電感以分流，形成一個超導(dǎo)環(huán)路的對稱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)最初是用來驗(yàn)證Aharonov—Casher(AC)效應(yīng)[45，46]，即環(huán)路中磁通量渦旋(fluxon)隨著柵極電荷量ng的調(diào)控而相干振蕩，并且當(dāng)ng為奇數(shù)時，磁通量渦旋因AC干涉相干相消而不會發(fā)生變化[47—49]。因此，通過柵極電壓控制超導(dǎo)島上的電荷以調(diào)控環(huán)路中磁通量渦旋的變化，定義量子比特狀態(tài)。顯然，因?yàn)锳C干涉相干相消，磁通量渦旋不發(fā)生變化，此時量子態(tài)的波函數(shù)位于希爾伯特空間的不相交區(qū)域，從而抑制能量弛豫。該量子比特實(shí)驗(yàn)上相干時間已達(dá)到100 μs。

得益于超導(dǎo)量子比特設(shè)計(jì)和加工的較大自由度，人們提出很多其他類型的超導(dǎo)量子比特，比如通過約瑟夫森結(jié)陣列實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子比特[50，51]，或結(jié)合測量比特能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)有助于糾錯的dual-rail量子比特[52]等。如何在面向規(guī)?；瘮U(kuò)展的量子芯片中，實(shí)現(xiàn)快速的量子操作和量子測量，同時又可以抑制環(huán)境噪聲對量子比特的影響，是目前超導(dǎo)量子比特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)之一。

05超導(dǎo)量子比特耦合結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算需要量子比特之間的耦合。超導(dǎo)量子比特的耦合方式豐富多樣，如直接的電容耦合，通過諧振腔實(shí)現(xiàn)全局耦合和最近鄰耦合，或是利用可調(diào)耦合器實(shí)現(xiàn)可調(diào)耦合等等。在這里，我們簡要介紹四種具有高開關(guān)比、受到廣泛關(guān)注的耦合方式。

(1)超導(dǎo)柵控量子比特(gmon)作為耦合器的耦合結(jié)構(gòu)。2011年，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員提出，兩個相位比特可以通過gmon實(shí)現(xiàn)具有高開關(guān)比的可調(diào)耦合器結(jié)構(gòu)[53]，并在2014年將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用在圖5(a)的Xmon比特耦合結(jié)構(gòu)中[54]。該結(jié)構(gòu)將耦合電感引出一個節(jié)點(diǎn)和兩個比特低電壓端連接，在節(jié)點(diǎn)之間引入一個約瑟夫森結(jié)，通過控制結(jié)和地形成回路的磁通以控制兩比特之間超導(dǎo)電流的流動，以實(shí)現(xiàn)可調(diào)耦合。耦合電感Lg遠(yuǎn)小于量子比特的電感Lj，因此比特能級結(jié)構(gòu)幾乎不受耦合結(jié)構(gòu)影響，以保證在規(guī)?；瘮U(kuò)展中的可復(fù)用性。

圖5 超導(dǎo)量子比特耦合結(jié)構(gòu) (a)gmon作為耦合器的兩比特樣品圖[54];(b)transmon—flux比特直接耦合結(jié)構(gòu)[55]。其中，左圖表示量子芯片中超導(dǎo)傳輸子比特(A)和并聯(lián)電容的超導(dǎo)磁通比特(B)空間排布示意圖，右圖展示的是左側(cè)一個排列單元中AB兩種量子比特的最低三個量子能級分布示意圖，ωa(ωb)和αa<0(αb>0)表示A(B)類型比特最低兩個能級的頻率和具有負(fù)(正)的非諧;(c)transmon類型比特作為可調(diào)耦合器的兩比特示意圖[56]及其二維平面擴(kuò)展結(jié)構(gòu)[59]。上部是通過超導(dǎo)傳輸子比特實(shí)現(xiàn)兩個比特之間可調(diào)耦合的示意圖和相應(yīng)的能級結(jié)構(gòu)示意圖，下部是這種耦合結(jié)構(gòu)二維平面結(jié)構(gòu)擴(kuò)展示意圖(左圖)，以及固定比特頻率和可調(diào)比特頻率兩種調(diào)控方式的校準(zhǔn)流程圖(右圖);(d)固定頻率的諧振腔作為耦合器的全連通耦合芯片[63]

(2)超導(dǎo)傳輸子—磁通量子比特(transmon—flux)直接耦合結(jié)構(gòu)。因?yàn)閠ransmon比特的非諧是負(fù)值，而并聯(lián)電容的磁通比特的非諧在合適的磁通偏置點(diǎn)附近是正值，并且非諧大小是磁通可調(diào)的，于是在2020年，南京大學(xué)的研究人員根據(jù)這兩種比特的獨(dú)特性質(zhì)提出直接利用具有正負(fù)非諧性的量子比特實(shí)現(xiàn)如圖5(b)中所示具有高開關(guān)比耦合的多比特擴(kuò)展方案[55]。該結(jié)構(gòu)可以在實(shí)現(xiàn)高保真度兩比特量子門操控的同時減少耦合器的使用，因此在規(guī)?；瘮U(kuò)展方面具有減少量子操控線路和減少耗散通道等獨(dú)特優(yōu)勢。

(3)transmon作為耦合器的耦合結(jié)構(gòu)。隨著transmon類型比特的廣泛使用，為了樣品加工的穩(wěn)定性，2018年之后，直接用transmon比特作為耦合器[56]來實(shí)現(xiàn)高開關(guān)比的可調(diào)耦合受到廣泛的使用。如圖5(c)所示，它主要的思想是通過調(diào)節(jié)耦合器頻率控制耦合器與兩個比特之間的有效耦合強(qiáng)度g1,2，以線性疊加額外的直接耦合項(xiàng)g12，從而實(shí)現(xiàn)具有高開關(guān)比的耦合結(jié)構(gòu)。耦合項(xiàng)g12一般可以在兩個比特之間直接引入電容實(shí)現(xiàn)，或是通過耦合器的電容極板耦合兩比特導(dǎo)致的寄生耦合實(shí)現(xiàn)[57，58]。2020年，南方科技大學(xué)和南京大學(xué)的研究人員在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這種耦合方式在兩比特門高精度操控和擴(kuò)展方面的優(yōu)勢[59]，如今這種耦合方式已普遍應(yīng)用在規(guī)模化擴(kuò)展的超導(dǎo)量子芯片中[60]。

(4)諧振腔作為耦合器的全連通耦合結(jié)構(gòu)。通過固定頻率的公共諧振腔實(shí)現(xiàn)比特之間的耦合[61，62]一直以來都受到人們廣泛的關(guān)注。特別地，最近幾年浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外多家單位基于該耦合方式，直接實(shí)現(xiàn)了如圖5(d)所示的全連通耦合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子芯片，利用該耦合結(jié)構(gòu)在多比特糾纏態(tài)制備方面已經(jīng)顯示出獨(dú)特優(yōu)勢，兩次打破實(shí)現(xiàn)全局糾纏比特數(shù)的世界紀(jì)錄[63，64]。此外，固定頻率諧振腔作為耦合器，也可以實(shí)現(xiàn)具有高開關(guān)比的耦合結(jié)構(gòu)，再結(jié)合額外的耦合通道設(shè)計(jì)和操控方式，可以實(shí)現(xiàn)具有高保真度的兩比特門操作[65]。

得益于超導(dǎo)量子電路便于設(shè)計(jì)、加工和操控等特點(diǎn)，還有很多其他重要的耦合結(jié)構(gòu)，如通過超導(dǎo)同軸線纜實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子芯片之間的量子控制[66]。值得注意的是，實(shí)現(xiàn)高開關(guān)比的耦合不僅可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)，同時可以結(jié)合合適的操控手段，如參量調(diào)控、交叉共振等方式實(shí)現(xiàn)[67—69]。不過這些方式可能會引入額外的控制波形技術(shù)以避免量子態(tài)泄露、量子串?dāng)_等，弱化了測控的復(fù)用性，同時可能面臨著難以實(shí)現(xiàn)快速的量子門操控等挑戰(zhàn)。

06超導(dǎo)量子比特加工技術(shù)

超導(dǎo)量子芯片是固態(tài)器件，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和超導(dǎo)材料的改進(jìn)，與半導(dǎo)體微納加工工藝類似，可以通過電路設(shè)計(jì)和光刻制造技術(shù)來大規(guī)模生產(chǎn)。但是量子比特的控制和測量通常是單獨(dú)的微波信號驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，同時約瑟夫森結(jié)的尺寸(約100 nm量級)和其他電路結(jié)構(gòu)(大多數(shù)是大于等于10 μm量級，包括并聯(lián)電容、電感以及控制測量電路等)相比相差兩個量級以上，這對大規(guī)模加工提出新的要求。在這一節(jié)中，我們主要介紹目前常見的四種工藝技術(shù)。

(1)避免雜散約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生的綁帶(bandage)技術(shù)。超導(dǎo)量子比特中的約瑟夫森結(jié)制備一般是通過雙角度蒸發(fā)，但是它會產(chǎn)生不需要的雜散約瑟夫森結(jié)，從而導(dǎo)致介電損耗，降低超導(dǎo)量子比特相干時間。最初人們通過引入額外的光刻步驟沉積bandage使得雜散結(jié)接地，以改變結(jié)的電位[70]，避免對比特相干時間產(chǎn)生影響。2021年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院[71]和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)[72]的研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立地提出一種改進(jìn)的原位陰影蒸發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在一個工藝步驟中同時加工約瑟夫森結(jié)和沉積bandage。如圖6(a)所示，這種技術(shù)避免了之前方案增加的工藝工序和可能導(dǎo)致的芯片表面污染，適用于目前超導(dǎo)量子芯片的加工生產(chǎn)。

圖6 幾種規(guī)?；庸ぜ夹g(shù) (a)避免雜散約瑟夫森結(jié)的bandage樣品圖[71];(b)通過梯度曝光實(shí)現(xiàn)的空氣橋樣品圖[75];(c)實(shí)現(xiàn)量子比特芯片和控制線路芯片連接的倒裝焊示意圖[77];(d)適用于大數(shù)目量子比特芯片集成化的硅通孔示意圖[80]

(2)橋接不同空間位置電路結(jié)構(gòu)的空氣橋技術(shù)。空氣橋技術(shù)一直以來都是半導(dǎo)體工藝中廣泛使用的技術(shù)[73]。在超導(dǎo)量子電路中，空氣橋?qū)τ谙裁娌▽?dǎo)電路的寄生模式和減少直流磁通偏置之間的串?dāng)_等至關(guān)重要[74]。2022年，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種制造超導(dǎo)空氣橋技術(shù)[75]，即用單層光刻膠和梯度曝光工藝制備得到圖6(b)中的空氣橋結(jié)構(gòu)，降低了原有空氣橋制造工藝的復(fù)雜性，具有高的良品率，同時適用于規(guī)?；瑢?dǎo)量子芯片的加工生產(chǎn)。

(3)電磁連接不同功能量子芯片的倒裝焊技術(shù)[76]。該技術(shù)通過焊料凸點(diǎn)與基板進(jìn)行互連，將某一芯片以倒扣的方式電磁連接另一塊芯片，可以改善規(guī)?；a(chǎn)中控制線密度不斷增加的問題。目前大部分超導(dǎo)量子芯片采用的都是倒裝焊技術(shù)。如在2022年，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[77]將量子比特芯片和控制芯片用銦凸塊連接在一起，如圖6(c)所示，系統(tǒng)性地研究了倒裝焊對超導(dǎo)量子芯片性能的影響。該技術(shù)可以為所有量子比特和耦合器提供足夠的輸入/輸出控制線接入，目前基于該技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)百比特數(shù)目量級的超導(dǎo)量子處理器。

(4)實(shí)現(xiàn)量子芯片三維立體封裝的硅通孔技術(shù)。在半導(dǎo)體工藝中，硅通孔技術(shù)是實(shí)現(xiàn)芯片之間互連最新的先進(jìn)封裝技術(shù)。它可以在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間實(shí)現(xiàn)垂直電氣互連[78，79]，具有減小電路連接長度、信號延遲、寄生電容/電感，實(shí)現(xiàn)芯片間的低功耗、高速通訊和實(shí)現(xiàn)器件集成小型化等優(yōu)點(diǎn)。最近幾年，各個研究團(tuán)隊(duì)試圖通過硅通孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特芯片中三維立體集成，以支持高密度的量子比特系統(tǒng)。如圖6(d)所示，在2020年的一項(xiàng)工作中[80]，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)就展示了具有高深寬比的硅通孔，同時結(jié)合倒裝焊技術(shù)和多層走線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)量子比特的集成封裝，并對量子比特進(jìn)行高保真讀出，驗(yàn)證了直接在硅通孔集成芯片表面上制備量子比特而不會影響其性能的可行性。隨著超導(dǎo)量子電路的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，通過硅通孔技術(shù)和其他先進(jìn)封裝工藝實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特之間的互連，有望解決大數(shù)目量子比特芯片的集成化問題。

近幾年來，各個研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合對超導(dǎo)比特結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化，將先進(jìn)的半導(dǎo)體加工技術(shù)應(yīng)用在超導(dǎo)量子比特的集成化中，量子芯片已經(jīng)達(dá)到上百個比特數(shù)目量級。但是如何優(yōu)化超導(dǎo)量子比特的空間結(jié)構(gòu)和減少控制線使用，實(shí)現(xiàn)量子比特的小型化和芯片之間的量子互連，依然是目前超導(dǎo)量子比特面向大規(guī)模集成的挑戰(zhàn)之一。

07超導(dǎo)量子比特信號放大

超導(dǎo)量子比特的量子態(tài)測量信號是在極端低溫環(huán)境(接近于絕對零度)下單光子量級的弱信號。該弱信號需要放大超過100 dB(即100億倍)，才可以在室溫時采集到信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在整個信號放大的鏈路中，前級放大器引入的噪聲會被后面級聯(lián)的放大器放大，因此第一級的放大器性能至關(guān)重要。商用的半導(dǎo)體低噪聲微波放大器由于其耗散性質(zhì)而無法達(dá)到系統(tǒng)量子噪聲水平。于是，人們發(fā)展了量子極限參量放大器作為量子比特測量的第一級放大，以實(shí)現(xiàn)信噪比好的信號探測。

參量放大器伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展由來已久[81—84]。約瑟夫森效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上被驗(yàn)證后，研究人員根據(jù)約瑟夫森結(jié)這一“非線性電感”的周期性調(diào)控，實(shí)現(xiàn)參量放大[85]。隨后研究人員又對這一參量放大器的帶寬、噪聲以及頻段等進(jìn)行深入研究[86，87]，在20世紀(jì)八九十年代就可以達(dá)到近量子極限噪聲水平[88—91]。不過由于約瑟夫森結(jié)本身應(yīng)用場景的特殊性，這種參量放大器在后來的一段時間內(nèi)并沒有受到廣泛的關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于超導(dǎo)量子計(jì)算的飛速發(fā)展，人們又重新審視超導(dǎo)參量放大器在量子比特測控中的作用[92—96]，并利用約瑟夫森結(jié)便于加工設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，直接制備如圖7(a)所示的適合于量子態(tài)測量、可以達(dá)到量子極限的參量放大器樣品[97]。特別是在2011年，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員利用該放大器在超導(dǎo)量子比特的色散測量中，觀測到transmon比特的量子跳躍現(xiàn)象[98]，預(yù)示著參量放大器在接近絕對零度的單光子量級弱信號探測中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖7 (a)與諧振模式共振類型的參量放大器樣品圖[97]。其中，左上小圖和右上小圖是樣品和外部信號的耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用電容耦合。左下圖是泵浦線與兩個諧振腔耦合結(jié)構(gòu)的放大圖，包括泵浦線與兩個諧振腔之間的耦合電容以及諧振腔A結(jié)構(gòu)跨過諧振腔B的橋接結(jié)構(gòu)，右下圖是左下圖中為整個芯片樣品提供非線性項(xiàng)的約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)的放大圖;(b)參量放大器的蕩秋千模型;(c)在合適的參量控制下，信號強(qiáng)度將隨著時間變長而越來越大

參量放大器是將一個特定參數(shù)的大功率泵浦信號和待測弱信號一起輸入，泵浦信號會轉(zhuǎn)化為弱信號和一些其他信號，最終實(shí)現(xiàn)弱信號的增強(qiáng)。這個原理可以簡單的以如圖7(b)中蕩秋千模型來類比，如果人在秋千擺動的最高點(diǎn)站立起來，逐漸地隨著秋千到達(dá)最低點(diǎn)蹲下，通過有規(guī)律的隨著秋千擺動，實(shí)現(xiàn)將自身的擺動(調(diào)控的參量)轉(zhuǎn)換成秋千的高度(放大的信號)。如果按照單擺模型去建模會發(fā)現(xiàn)，之所以會發(fā)生這種轉(zhuǎn)換是由秋千的運(yùn)動存在非線性項(xiàng)導(dǎo)致。并且在一定的條件下，按照這樣的規(guī)律蕩秋千的時間越長，如圖7(c)所示，秋千所能達(dá)到的高度將越高。

超導(dǎo)薄膜材料的動態(tài)電感，或是約瑟夫森結(jié)的等效電感，都具有非線性特征，可以用來實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)參量放大器。此外，想要實(shí)現(xiàn)一個可觀的信號增益，在參量調(diào)控的同時還需要待測信號在非線性器件中停留足夠長的作用時間。因此，可以將參量放大器分為兩類。

(1)基于與諧振模式共振的參量放大器。具有代表性的是將約瑟夫森結(jié)和某一諧振腔組合形成有一定品質(zhì)因子(Q值)的諧振模式的參量放大器。越高的Q值將使待測信號在模式內(nèi)停留時間越長，以實(shí)現(xiàn)足夠高的增益。顯然，這種參量放大器的增益和帶寬是相互限制的：因?yàn)镼～1/γ，即信號停留時間長，模式的Q值要高，那么能夠停留時間長的光子頻率帶寬γ就窄。所以一開始這種放大器都是窄帶參量放大器[99，100]，只能用于對某一超導(dǎo)量子比特態(tài)讀取信號的放大。為了能夠?qū)崿F(xiàn)多個量子比特讀取腔信號的同時放大，后來又發(fā)展了如圖8(a)中通過阻抗匹配實(shí)現(xiàn)寬帶的放大器[101，102]。

圖8 幾種具有高增益、高帶寬和高飽和功率的參量放大器 (a)基于阻抗匹配實(shí)現(xiàn)的共振類型參量放大器結(jié)構(gòu)圖[101]。放大過程通常是：左端弱信號輸入(ωs)，經(jīng)過阻抗連續(xù)變換，然后到達(dá)有約瑟夫森結(jié)的諧振器，此時從右側(cè)加入合適的直流偏置和泵浦信號(ωp)。最終弱信號反射回去的信號經(jīng)過循環(huán)器(最左邊的結(jié)構(gòu))分離出去，變?yōu)轭l率仍為弱信號的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)放大的信號，以及一個不需要的閑置信號ωi。左下圖為參量放大器整個芯片圖，右側(cè)為阻抗變換結(jié)果樣品圖;(b)基于超導(dǎo)薄膜材料動態(tài)電感實(shí)現(xiàn)的行波參量放大器樣品圖[104]。其中，左側(cè)圖為行波參量放大器的整體結(jié)構(gòu)尺寸示意圖，右下圖是行波參量放大器中在不同的空間位置處設(shè)計(jì)如右上圖中的阻抗結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的非線性電感;(c)基于切比雪夫型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的參量放大器樣品圖[110];(d)利用約瑟夫森結(jié)陣列的行波參量放大器實(shí)現(xiàn)壓縮真空態(tài)示意圖[108]

(2)基于長距離非線性介質(zhì)的參量放大器。該類放大器通常是行波型的參量放大器(TWPA)，它需要制備一個足夠長距離的非線性介質(zhì)，使得待測信號經(jīng)過時間長，以實(shí)現(xiàn)可觀的增益。TWPA的理論提出可以追溯到20世紀(jì)80年代[103]，不過由于空間上長距離的非線性介質(zhì)對材料性質(zhì)、阻抗匹配等要求苛刻，樣品加工上十分具有挑戰(zhàn)性。直到2012年，通過使用超導(dǎo)薄膜材料NbTiN實(shí)現(xiàn)高阻抗的動態(tài)電感，基于動態(tài)電感的非線性實(shí)現(xiàn)了如圖8(b)所示的TWPA[104]。NbTiN的超導(dǎo)臨界電流大，TWPA可以達(dá)到大于?70 dBm的飽和功率。另外根據(jù)2013年提出的理論方案[105]，直接用上千個約瑟夫森結(jié)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)足夠長距離的非線性介質(zhì)，也可以實(shí)現(xiàn)達(dá)到量子極限噪聲的參量放大器[106，107]，并且還可以實(shí)現(xiàn)如圖8(d)中具有寬帶寬的雙模壓縮真空態(tài)[108]。TWPA這些特征意味著它在超導(dǎo)量子比特多通道同時測量方面具有潛在的優(yōu)勢。

相對于普通參量放大器，超導(dǎo)參量放大器的一大優(yōu)勢是利用超導(dǎo)體無耗散的特點(diǎn)，噪聲可以達(dá)到量子極限。但是通常由于樣品材料本身的介電損耗，或是基于約瑟夫森結(jié)非線性產(chǎn)生的模式色散效應(yīng)，都會影響放大器增益。值得注意的是，最近谷歌的量子研究團(tuán)隊(duì)通過引入微波工程中的阻抗匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)切比雪夫型帶通阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[109]，實(shí)現(xiàn)了圖8(c)中的高飽和功率、高帶寬、高增益的參量放大器[110]。量子極限參量放大器不僅在超導(dǎo)量子比特態(tài)讀取中至關(guān)重要，同時它還有其他方面的應(yīng)用，如量子壓縮態(tài)制備[89，111]、宇宙暗物質(zhì)探測[112—114]等等。

08展 望

量子計(jì)算具備隨硬件規(guī)模指數(shù)增長的運(yùn)算能力，它可以完成一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不能夠有效完成的計(jì)算任務(wù)。歷經(jīng)二十多年的研究，超導(dǎo)量子計(jì)算逐漸脫穎而出成為最有前景實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的方案之一。目前以IBM和谷歌為代表的研究團(tuán)隊(duì)提出以量子為中心的超級計(jì)算機(jī)架構(gòu)，預(yù)計(jì)在不久的將來會實(shí)現(xiàn)大規(guī)模超導(dǎo)量子比特的集成化。

超導(dǎo)量子比特結(jié)構(gòu)是否是量子計(jì)算中的“量子晶體管”還有待產(chǎn)業(yè)發(fā)展的驗(yàn)證。但是值得肯定的是，基于約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)量子器件已經(jīng)初具量子生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈雛形，其中包括低溫器件研究、弱信號精密測量、多體強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)模擬以及量子增強(qiáng)的人工智能等等方向都正在蓬勃發(fā)展中，甚至在發(fā)展超導(dǎo)量子比特集成化工藝技術(shù)的同時，也可能啟發(fā)“后摩爾時代”新型半導(dǎo)體晶體管的研究。

現(xiàn)在人們普遍相信量子計(jì)算有可能成為未來科技加速演進(jìn)的催化劑，一旦取得突破，將在基礎(chǔ)科研、新型材料與醫(yī)藥研發(fā)、信息安全和人工智能等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，其發(fā)展與應(yīng)用對國家科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要的促進(jìn)作用。基于超導(dǎo)量子器件的量子信息技術(shù)已經(jīng)成為信息通信技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)注焦點(diǎn)之一，在未來國家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域，將產(chǎn)生基礎(chǔ)性乃至顛覆性重大影響。

審核編輯：湯梓紅