文|煮酒
图|煮酒
仙童半导体公司GordonMoore指出，在相同的价格下，每超过18-24个月，集成电路上可以容纳的元件数量以及性能就会增加一倍。台积电7nmFinFET技术是目前最成熟的一种CMOS技术，已成功应用至华为海思公司开发的麒麟990、高通骁龙865等多个处理器当中。
晶体管的大小是有限的。由于海森堡不确定原理，晶体管的尺寸不可能无限制缩小，现有晶体管的大小几乎达到了物理极限。由于器件的体积变小，制造工艺的难度和成本也随之增加，像是等离子刻蚀机、浸润式刻蚀机等，都需要花费上千亿美元的资金。此外，当装置的大小达到纳米级时，量子隧道效应将会十分明显，从而使晶体管内的电流失控，从而使经典电脑的计算精度下降。另外，一亿个CMOS设备同时工作在一块芯片上，会产生大量的热问题，这将极大地影响设备的稳定性。为了打破这个限制，D-Wave、微软、IBM等公司都将目光投向了新一代的芯片。
一.量子芯片。
在量子电脑中，量子芯片是最重要的元件。超导、半导体、离子阱是最有前途的两种。随着位元数目的增加，超导量子芯片的电路设计困难也随之增加；虽然半导体量子芯片的运算能力比不上另外两个，但它是建立在传统的半导体技术基础上的，如果科学家们能够在实验室中制作出芯片，那么它的量产应该是没有任何问题的。离子阱量子力学性能优良，但是其体积很大。
二.工作环境
工作环境对量子芯片工作的影响很大，噪声环境可能导致量子态的破坏及存储信息丢失；
如果温度太高，则会使量子态的演变得困难。超导量子芯片和半导体芯片工作于几十毫开的极低温下，而离子阱量子芯片通常能在常温下工作。不同的外界干扰也会影响到量子位，并且两者之间也存在着交互作用。因此，在试验过程中，需要对机械固定。另外，量子计算还必须进行误差校正。为了成功地校正一个量子位，至少需要几千个量子位。2012年，FowlerAG等提出了SurfaceCode的量子晶体结构，2019年，清华大学L.Hu等，完成了对逻辑位的连续纠错，使相干时间提高2.8倍，并达到97.0%的保真度。
三.超导量子芯片
利用约瑟夫森结和邻近的电容，超导的量子芯片可以组成一个非线性的LC振荡电路。然后通过对电路的量子化，来构造一个超导的量子位。超导位已经从原来的Chargequbit、Fluxqubit和Phasequbit中衍生出来的超导Transmonqubit、Gmonqubit。利用微波脉冲可以实现超导量子位的单比特门，也可以采用微波和方波脉冲来实现。
一、超导约瑟夫森结
超导量子电路的关键部件为约瑟夫森结，采用了微纳加工技术。通常，在两个超导体之间绝缘层的厚度都在10纳米以下，因此，在两个超导体中，库珀电子对将会通过隧道效应穿过隔离层，从而到达另一端。该装置的外部电磁偏压导致了两个超导体的波函数之间的相位差异，从而使该薄层量子力学的横向振动幅度较大。此量子隧道效应也可用于制造量子装置。
二、超导共振器的研究
1.共面波导：共面波导制备是在介质基片的表面上，中间导波带的两边分别设有导电平面，中间导带用于传送微波信号，导带两侧连接到地表。共面波导无断开频率，其电容、电感、导抗、阻抗沿共面波导的传输方向是一致的。在其波导的阻抗上，沿信号传播的方向是相同的，信号能够几乎没有损耗的通过。共面波导管已经替代微带线，在毫米波、亚毫米波和光学集成电路等领域成为了主流。
2.谐振腔：当线路长度受到限制或者由于阻抗的改变而导致节点出现时，微波信号会在结点上被反射。在试验中，可以在传输线两端建立一个电容结点，把它与信号板或其它器件相连接。微波讯号遇上电容结后，会发生回响，在此传输线上产生共振。因为电磁场是完全聚焦在空穴上的，所以没有辐射损失。
三、量子芯片的超导结构
为了达到最佳的操纵性能，各量子位的X、Y、Z控制线都在SQUID区域附近。利用XY线传送微波信号，可以实现能量水平的反转，从而使量子位由基态向激励态过渡。改变Z形线圈的电流，使其外加磁场发生变化，同时，SQUID的磁通量也会随之变化。而磁通的变化，则会引起量子位的能量结构发生改变，从而引起频率的变化。为了防止不同的量子位操纵信道间的串音，必须隔离量子芯片的封装空间，以防止泄漏讯号对邻近的量子位产生干扰。每一个量子位都是通过一个独立的读出空穴来避免在读出空洞中存在多位分量。所有的量子位读出腔都被插入了过滤器，这样所有的量子位读入就会被合并，最终通过一个共同的信道。
四、量子超导芯片的最新进展
2018年3月，谷歌公司成功开发了一个72位比特的Bristlecone量子处理器。目前，超导量子位的松弛时间由纳秒量级提高到了毫秒量级，并且已达到了实用的最低限度。2017年，超导量子芯片可以比逻辑闸工作的时间长出1000多倍；而单个量子位栅极的操作精度可达99.94%。同时，该方法的精度可达99.40%，符合理论上的容错率。2019年8月，浙江大学ChaoSong等人成功地开发出了20个量子位的超导量子芯片，并利用它成功地实现了整体的纠缠。研究小组报告了一种具有18个量子比特GHZ态的确定性产生，并在一台量子处理器上实现了20个量子位的薛定谔的猫态，其特征是20个超导的量子位，并且适合于人类制造的原子通过总线共振装置相互连接。
相对于其它两种系统，半导体量子计算更具真实感。但是，由于半导体量子点的容错性和扩展性，它可以与已有的半导体制程相适应。
(一)量子芯片半导体装置
1.量子光学器件和光学滤波器
目前的量子光源有三大类：
①连续变量光源。这类光源可分为两类：一类是相干型，一类是压缩型。所谓相干态，就是一类量子杂散。而压缩就是压缩光量子噪声。
②单光子光源。由于光子是不可分离的，所以是一个很好的材料。它的制备方法有：激光衰减法，共振荧光特征法，单分子法等。
③纠缠态光源。目前，它的制备方法有离子阱、腔QED等。
2.在芯片中的量子状态调整
在准备好和过滤量子光源之后，要对其进行操作演化。其中所需的器件为耦合器与相位调节器。最简单的可动态调节MZ干涉计，可以通过两个级联耦合器，在中间加入一个相位调节。
在完成了滤波与量子态演变运算后，为了进行后续的统计分析，必须利用一个单一的检测器将该光子讯号转换成电子讯号。
2.光纤与芯片之间的耦合
在两个波导之间非常接近时，它们的内部结构会产生耦合。耦合方式有两种：端面耦合和光栅耦合。端面耦合位于光学芯片的边缘，通过光纤同波导结构来完成光信号的传输。采用光栅法对波导进行二次刻蚀，再利用光栅的结构将光信号与芯片进行耦合。如果把两个耦合器串联起来，就能得到最简单的MZ干涉；通过串联多个耦合器件，可以实现更加复杂的多光子耦合门，例如两比特概率CNOT门。
(二)量子芯片的半导体理论
Loss和DiVincenzo提出了一种以门控量子点为基础的单电子旋转的控制方法。利用半导体工艺来生长一种半导体异质结，在该晶圆上刻蚀一种金属栅极，再加上负压，可以在多个不同的半导体异质结之间形成一种特殊的二维气体。二维电子气体中的电子被固定在0维的势阱中，然后一个接一个地排出，形成一个在100纳米范围内移动的单个电子。
在外电场作用下，由于存在塞曼效应，谱线产生了分裂和极化现象，各电子轨道被劈裂为上下两个能级结构。另外，电荷量子比特可以被构造成具有其它自因性的电子，也可以被称为量子。
半导体的量子位间的交互作用有多种形式，例如利用电子自旋谐振和电偶极自旋谐振等方式来实现，其中，利用电荷传感器QPC或SET进行读出。微波脉冲可以实现单位逻辑闸，利用门控电压脉冲来调节双位逻辑闸。采用基于硅的奈米波导技术制作的光量子芯片，其优点包括：兼容传统的微电子加工工艺、高集成度、强非线性效用、以及与光量子通讯兼容等。
(三)量子位的未来
在2014年，UNSW开发了120微秒自旋的退相干量子位；2017年，日本物理所在硅锗体系中，实现了高达99.9%的量子位；2019年，布里斯托大学丹尼尔·勒韦林等成功地实现了基于硅的集成光量子芯片多体量子纠缠以及芯片与芯片之间的隐形传态。目前，隐身传输的保真度为0.90，未来或将可以达到10个光子纠缠态。
(一)量子芯片的离子阱理论
在这种类型的芯片中，量子位是由离子内部的能量水平来编码的，而子比特位是由晶体离子的集体振动声子态来实现的。用来制造量子位的原子位于芯片的中央，受到电磁场与库伦的影响。在高真空条件下，利用电磁场捕捉电离的原子，可以形成一个电离后的电位井。离子阱量子比特间的作用力是由库仑作用力引起的。在试验中，单一位可以由脉冲或激光控制，而两位门则是有选择地驱动两位间的振型。由于它的量子位能量级频率几乎完全相同，所以很难操纵有选择性的量子逻辑闸。可以将离子阱划分为多个操作区和多个存储区，将目标离子移至操作区进行量子计算法，然后移至存储区，使两个离子的组合操作得以实现，并实现两比特门功能。
2002年，KielpinskiD等人提出了QCCD的概念。可以使用将电极分割的这种想法，将宏观离子井转换成如图2A所示的分段四极宏观井结构。在大离子阱中，分段式四极管的直流控制电极是锥形盖电极。这种结构具有很难实现微型化的缺陷。采用半导体的方法，可以把它变成一个双层的离子阱。首先，在半导体衬底中刻蚀一条缝隙，在空隙两侧的衬底下方制作一电极，以便捕捉该缝隙内的离子，或将多个衬底叠加，以形成双层结构。该方法的优点在于捕获势阱对称性好，势阱深，但同时也存在制造过程复杂、难以实现单个芯片的整合和扩展受限区域的缺陷。三层离子阱能补偿离子的微小运动，并能精确地控制离子的输运，但是它也很难将单一的芯片与限制区域的扩展结合起来。
（二）离子阱芯片目前进展
2018年12月，IonQ发布了两款具有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，超过谷歌公司72位的Bristlecone处理器。这种离子阱计算机能够在室温下工作而不受退相干时间的制约；由于它的量子比特是一个离子，而非约瑟夫森结，因此在制作量子位时，没有任何差错，没有读错，没有任何量子比特寿命等问题；同时，它还有一个可以无限延伸至上千个量子位的界面。2019年，IonQ开发了一个11比特的可编程量子计算机，它包括13个171Yb+离子组成的离子阱系统，
在此基础上，平均单个量子比特栅极的保真度达到99.5%，两位栅极的平均保真度达到97.5%,SPAM误差达到0.7%。
目前的量子芯片仍然存在着一定的缺陷。比如有些物理学科需要更低的、更苛刻的工作环境、可实现纠缠的量子比特较少，不过可以使用。在量子电脑中，量子芯片是最重要的。2019年1月，IBM推出了第一台商用的量子计算机IBMQSystemOne，客户可以通过互联网平台进行量子计算。离商用化还有很大的距离，不过目前也有一些量子芯片能够实现应用。在量子电脑中量子芯片是核心，2019年1月，IBM推出了第一台商用的量子计算机IBMQSystemOne，客户可以通过互联网平台进行量子计算。
将来，量子计算可以用来模拟反应和物质。比如，在模拟线弹性材料时，必须模拟不存在方向敏感度的各向同性材料，而且要同时考虑到杨氏模量、剪切模量、泊松比等因素，但这些条件往往超过了传统电脑所能处理的极限。量子计算机的模拟效率更高，研究人员就不需要花费大量的时间、精力、金钱和资源。
而更快更好的仿真路径将会产生很大的价值。可以在银行中使用量子芯片。由于量子位的不可复制性，可以用量子芯片代替身份证或银行卡上的IC卡，达到防盗目的，保证了用户的资金安全。与此同时，在量子通讯领域，科学家已成功地完成了以芯片为基础的量子密钥分配，并将多个功能模块集成到一块单片上，通过并验证了MDI-QKD协议。另外，量子隐形传输、芯片间纠缠和量子转发器（量子转发器）也被成功地应用于量子芯片。在这里期待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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