量子芯片的研究現狀與應用

劉瀛旻 劉芬 尤瑞松

摘 ?要：隨著集成電路工藝的發展，摩爾定律逐漸走向終結，于是科學家們轉向量子芯片的研究。目前最有前途的量子芯片分別是超導體系、半導體體系和離子阱體系。超導量子芯片電路設計難度隨著比特數增多而增大，目前已實現20個超導量子比特的量子芯片。離子阱量子計算性能優異，但體積龐大，目前IonQ公司已實現13個171Yb+ 離子組成的離子阱系統11位全連接可編程量子計算機。半導體量子芯片的計算性能不如這兩種，但是由于傳統半導體工藝現在已基本成熟，只要在實驗室里能夠實現樣品芯片，理論上講大規模工業生產就不存在問題。目前科學家們認為未來將很快實現10個量子比特的糾纏。量子芯片的研究將帶來計算速度的提升、量子通信安全性的實現等優勢。文章簡要介紹了近年來量子芯片的研究進展以及對未來應用的展望。

關鍵詞：超導量子芯片;半導體量子芯片;離子阱量子芯片;量子計算機

中圖分類號：O471 文獻標識碼：A

DOI：10.19881/j.cnki.1006-3676.2020.12.10

Abstract：With the development of integrated circuit technology，Moore's law is coming to an end，on this condition，scientists tend to qubit chips. At present，the most promising quantum chips are in superconducting system，semiconductor system and trapped ion system. The difficulty of design in superconducting system enhances with the increase of the number of bits，20 qubits now have been realized. The computing performance of trapped ion is excellent：however，it has huge volume. IonQ has presented an 11—qubit fully—connected，programmable quantum computer in a trapped ion system which is composed of 13 171Yb+ ions. Although the performance of the semiconductor quantum chip is not as good as others，it is completely based on traditional semiconductor technology. As long as scientists can realize the sample chip in laboratory，there will be no problem in its large—scale industrial production. In the future.Scientists now believe that 10 qubit entanglements will soon be possible. The research of quantum chip will bring many advantages，such as the improvement of computing speed and the realization of quantum communication security. This paper reviews research progress recently and suggests prospect of future application.

Key words：Superconducting Quantum Chip;Semiconductor Quantum Chip;Trapped Ion Quantum Chip;Quantum Computer

一、量子芯片的提出

仙童半導體公司的Gordon Moore提出：當價格不變時，每過18—24個月，集成電路上可容納的元器件的數目約翻一倍，性能提升一倍[1]。多年來摩爾定律一直是可靠的電子技術進步預測規律。目前最先進且已經成功實現量產的CMOS工藝是臺積電的7nm FinFET工藝，已成功應用于華為海思研制的麒麟990和高通的驍龍865處理器。

晶體管存在極限尺寸。由于海森堡不確定原理，晶體管的尺寸不可能無限制縮小，目前存在的晶體管的尺寸已經接近物理極限。器件尺寸的減小會導致加工的難度與成本增大，等離子刻蝕機、浸潤式光刻機等納米加工設備的換代成本更是達到數百億美元。此外，當器件尺寸達到納米量級時，量子隧穿效應將變得非常顯著[2]，晶體管中的電流會因此變得難以控制，可能會出現的量子尺寸效應將會導致經典計算機的計算結果準確性降低[3]。此外，上億個CMOS器件在一個芯片上高速工作將會導致嚴重的發熱問題[4]，這都將大大降低器件的穩定性。為了突破這種尺寸極限，D—Wave、微軟、IBM等公司紛紛瞄準了下一代芯片——量子芯片。

量子芯片是量子計算機的核心部件。目前最有前途的量子芯片分別是超導、半導體和離子阱量子芯片。超導量子芯片電路設計難度隨著比特數增多而增大;而半導體量子芯片計算性能不如另兩種，但完全基于傳統半導體工藝，只要科學家能在實驗室里實現樣品芯片，其大規模工業生產理論上不存在問題;離子阱量子計算性能優異，但體積龐大。

二、量子芯片的工作環境

量子芯片的工作環境十分重要。嘈雜的環境會導致量子態被破壞，保存的信息丟失;而過高的環境溫度將會導致量子態的演化難以控制。超導量子芯片和半導體量子芯片工作在幾十毫開的極低溫下，離子阱量子芯片一般可以工作在室溫中。各種環境擾動也會對量子比特產生影響，它們之間也有相互作用[5]。因此，在實驗中要對芯片進行機械固定。此外，量子計算需要進行糾錯。至少需要4個[6]，或多達數千個量子比特才能成功對一個量子比特進行糾錯[7]。2012年，Fowler A G等人提出Surface Code[8]量子芯片結構，2019年清華大學L.Hu等人實現了對邏輯比特的連續糾錯，成功將相干時間延長了2.8倍，同時實現了對單個邏輯比特高保真度通用量子門操作，保真度為97.0%[9]。

三、超導量子芯片

利用約瑟夫森結及相鄰電容可以構成非線性LC振蕩電路。之后將該電路量子化就可以構建出超導量子比特。超導比特已由最初的Charge qubit[10]、Flux qubit[11]和Phase qubit[12]衍生出超導Transmon qubit、Xmon qubit[13]、Gmon qubit[14]。超導量子比特的單比特門可以使用微波脈沖實現，兩比特門可用微波脈沖或方波脈沖實現。

（一）超導約瑟夫森結

超導量子電路可以利用微納加工工藝，其核心元件是超導約瑟夫森結。中間的絕緣層厚度一般小于10nm，這樣兩塊超導體內的Cooper電子對通過隧穿效應穿過絕緣層可以到達另一邊。器件的外界電磁偏置使兩塊超導體的波函數的相位差產生聯系，使得電子具有相當高的橫躍此薄層量子力學的振幅。這種量子隧穿效應可以用來制作量子器件。

（二）超導諧振腔

1.共面波導

共面波導制備在介質基片表面，在緊鄰中心導體帶的兩側有導體平面，其中中心導帶用來傳輸微波信號，兩側的導帶與地面相連。共面波導沒有截止頻率，其電容、電感、導抗和阻抗均勻沿著共面波導信號傳播的方向。沿著信號傳播方向，其波導的阻抗處處相等，信號能夠幾乎沒有損耗地通過。共面波導已在很多電路中取代了微帶線，并且在毫米波、亞毫米波以及光學集成電路中逐漸成為主流[16]。

2.諧振腔

如果傳輸線長度有限或因阻抗的變化而產生節點，則微波信號將在節點處反射。實驗上可以在傳輸線兩端構建電容節點，將其連接到信號極板或其他裝置上。當微波信號遇到電容節點時，它將來回反射，在這段傳輸線中形成諧振。由于電磁場完全集中于腔內，沒有輻射損耗。

（三）超導量子芯片結構

每個量子比特的X、Y、Z控制線均靠近SQUID區域以獲得最佳操控效果。通過XY線傳輸微波信號可以實現能級的翻轉等操作，這種信號可以使量子比特從基態躍遷到激發態。改變Z線的電流將會改變其外加磁場，與此同時SQUID的磁通也會發生變化。而磁通的變化會導致量子比特的能級結構改變，使其頻率發生變化。為了避免不同量子比特操控通道之間的串擾，需要對量子芯片封裝空間進行隔斷以阻止泄露信號對臨近量子比特的影響。

每個量子比特都使用單獨的讀取腔實現讀取以避免讀取腔中有多比特成分。所有的量子比特讀取腔均接入濾波器，使得所有的量子比特讀取合并，最后通過公共通道輸入。

（四）超導量子芯片目前進展

2018年3月，Google成功研制出具有72量子比特的Bristlecone量子處理器。超導量子比特的弛豫時間已經從納秒量級提升到毫秒量級，接近可實用化的下限[17]。2017年，超導量子芯片的相干時間已經可以高于邏輯門操作時間1000倍以上;而單量子比特門的運算保真度達到了99.94%。同時，雙量子比特門的保真度也達到了99.40%，這已經成功滿足量子計算理論的容錯率閾值要求。

2019年8月，浙江大學Chao Song等人成功研制含有20個量子比特的超導量子芯片，并通過該量子芯片成功實現了全局糾纏。該團隊報道了一個18量子比特GHZ態的確定性生成以及在一個量子處理器上實現20量子比特的多組分原子“薛定諤的貓”態，特點是20個超導量子比特，也適用于由總線諧振器互連的人造原子[18]。

四、半導體量子芯片

與另外兩種系統的量子芯片相比，半導體量子計算的保真度較低。但半導體量子點具有可容錯性和可拓展性，能夠與現有的半導體芯片工藝兼容。

（一）半導體量子芯片器件

1.量子光源及濾波

目前量子光源主要分為三種：①連續變量光源。這種光源又分為相干態光源和壓縮態光源。相干態是一種具有標準量子噪聲的量子態。而壓縮即對光量子噪聲的壓縮。②單光子光源。光子具有不可分離性，因此它是一種理想的載體。其制備可以通過激光衰減法、共振熒光特征和單分子法等來制備。③糾纏態光源。目前其制備方法主要有離子阱、腔QED等[19]。

2.片上量子態調控

當完成量子光源的制備及濾波后，需要對相應的量子態進行操作演化。其中所需要的光學元件是耦合器和相位控制器。最簡單的可動態調控的MZ干涉儀可由兩個級聯的耦合器，中間加上相位調控實現。

3.單光子探測器

當完成濾波和量子態演化操作之后，需要使用單光子探測器將光子信號轉化為電信號，以便后續統計分析[20]。

4.光纖—芯片間的耦合

當兩波導相距很近時，其內部的模式將會發生耦合。耦合主要有端面耦合與光柵耦合兩種類型。其中端面耦合是位于光芯片邊緣的耦合器，光纖同波導結構在端面處實現光信號。而光柵耦合在波導表面二次刻蝕衍射光柵，然后通過該結構將光信號耦合進芯片。若將兩個耦合器級聯，可以實現最簡單的MZ干涉儀;若級聯多個耦合器，則可以實現更復雜的多光子糾纏門，如兩比特概率CNOT門。

（二）半導體量子芯片原理

Loss 和DiVincenzo提出基于門控量子點操縱單電子自旋。使用半導體工藝生長出半導體異質結晶片，在其上刻蝕出金屬門電極，加上負壓，多層半導體異質結之間就可以形成具有特定形狀的二維電子氣。再使用直流電極施加恒定電壓，二維電子氣中的電子被束縛在0維勢阱中，逐個清空以獲得單電子，這些電子在百納米大小的區域內運動。

在外加磁場的作用下，由于具有塞曼效應，發光譜線發生分裂且偏振，每個電子軌道劈裂成自旋向上和向下的兩能級結構。此外，可以利用電子的其他自由度構建電荷量子比特，或將光子作為量子比特。半導體量子比特之間相互作用的形式有很多，如自旋量子比特可以使用電子自旋共振或者電偶極矩自旋共振來激發，其讀取主要使用電荷傳感器QPC或者SET。

單比特邏輯門可以使用微波脈沖實現，兩比特門則可以使用門控電壓脈沖調控。利用硅基納米光波導技術實現的光量子芯片具有很多優點，比如與傳統微電子加工工藝兼容、可集成度高、非線性效用強、工作波長與光線量子通信兼容等[21]。

（三）半導體量子芯片目前進展

2014年，UNSW研制出退相干時間高達120微秒自旋量子比特;2017年，日本理化研究所在硅鍺系統上獲得了保真度超過99.9%的量子比特;2019年，布里斯托大學Daniel Llewellyn等人，實現了硅基集成光量子芯片上的多體量子糾纏和芯片—芯片間的量子隱形傳態功能。隱形傳態保真度為目前最高的0.90，未來將會實現10個光子糾纏態[22]。

五、離子阱量子芯片

（一）離子阱量子芯片原理

在該類型芯片中，用離子的內態能級編碼量子位，而用晶態離子的集體振動聲子態編碼運動量子比特位。用于產生量子比特的原子就在芯片的中心位置，被激發并被電磁場和庫侖相互作用所束縛。在高真空中使用電磁場捕獲離子化的原子可形成電離后原子的勢阱。

離子阱量子比特之間的相互作用力為庫侖力。在實驗中，可以用脈沖或激光來操控單個比特，兩比特門通過選擇性驅動兩比特之間的振動模式來實現。由于其量子比特的能級頻率近似全同，因此很難對選擇性量子邏輯門進行操作。可以先將離子阱分為多個存儲區和操作區，把目標離子轉移到操作區進行量子算法，最后再移回存儲區，這樣就可以完成任意兩離子的聯合操作，從而完成任意兩比特門[23]。

2002年，Kielpinski D等人提出QCCD思想[24]。可以利用這種將電極分段的思想使宏觀離子阱轉變為分段四極宏觀阱結構，如圖2（a）。其中，分段四極宏觀阱的外端分段直流控制電極是宏觀離子阱中的錐形帽電極。該結構的缺點是難以微型化。可以利用半導體工藝技術，將其微型化為雙層離子阱。首先在半導體基板中刻蝕一條間隙，在間隙兩側的襯底上下面制造出電極以在該間隙中捕獲離子，或者也可以堆疊多塊襯底形成雙層結構[25]。它具有囚禁勢阱對稱性好、勢阱深等優點，但是同時具有制作工藝較為復雜，不易單片集成和限制區擴大等缺點。三層離子阱可以對離子微運動進行補償和對離子輸運更精細的電極控制，但也不易集成單個芯片和限制區擴展。

（二）離子阱芯片目前進展

2018年12月，IonQ公布了兩款具有160個存儲量子比特和79個量子比特的新型離子阱量子計算機，超越了谷歌的72個量子比特的Bristlecone處理器的最佳噪聲超導量子計算機。該新型離子阱計算機可以在室溫下工作，不受退相干時間的限制;因為其量子位是離子而不是約瑟夫森結，所以量子位的制造沒有錯誤，沒有讀出錯誤，也沒有量子位生命周期等問題;同時，該量子計算機還擁有可擴展到數千個量子比特的接口。

2019年，IonQ研制出由13個171Yb+ 離子組成的離子阱系統11位全連接可編程量子計算機。其中平均單個量子比特門的保真度為99.5%，平均兩比特門的保真度為97.5%，SPAM錯誤率為0.7%[26]。

六、量子芯片的未來展望

目前量子芯片還有一些不足。例如，一些物理系統需求的工作環境溫度較低，工作環境要求較為嚴格，可實現糾纏的量子比特較少，離商用化還有很大的距離等，但量子芯片目前已能實現一些應用。

量子芯片是量子計算機的核心。2019年1月，IBM發布了首臺商用化量子計算機IBM Q System One，可提供顧客在網絡平臺上實現量子計算[27]。

量子芯片可應用于模擬。量子計算在未來可能可以對反應和材料進行建模。例如，對線彈性材料的模擬，需要模擬完全不具有方向敏感性的各向同性材料，需要考慮楊氏模量、剪切模量和泊松比等因素，這些要求可能超出了經典計算機的處理能力。而量子計算機可以更高效地完成模擬，研究者可以不用再耗費大量時間精力、大量資金和材料。而更快、更好的模擬途徑將會帶來巨大價值。

量子芯片可以應用于銀行。由于量子比特具有的不可復制性，可以將身份證或銀行卡中的IC芯片替換為量子芯片，即可實現防盜刷，從而確保客戶的資金等的安全性[28]。

同時，在量子通信方面，科學家們已經成功實現了基于芯片的量子秘鑰分發[29]，以及將多功能模塊集成到單塊芯片上，并實現了在實驗中對MDI—QKD協議進行了演示。此外還在量子芯片上實現了量子隱形傳態[30]、芯片間糾纏分發[31]以及量子中繼器。

未來期待著未來量子芯片在各個領域發揮其更大的優勢。

參考文獻：

[1] Mitchell W M. The chips are down for Moores law[J]. Nature，2016，530（7589）：144-147.

[2] Lundstrom M. Applied physics. Moore's law forever？[J]. Science，2003，299（5604）：210-1.

[23] 陳昆.芯片上的離子囚禁與輸運[D].長沙：中國人民解放軍國防科技大學，2013.

[24] Kielpinski D，Monroe C，Wineland D J .Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer[J]. Nature，2002，417（6890）：709-711.

[25] Turchette Q A，Kielpinski D，King B E，et al. Heating of trapped ions from the quantum ground state[J]. Physical review a，2000，61（06）：276-282.

[26] Wright K，Beck K M，Debnath S，et al. Benchmarking an 11-qubit quantum computer[J]. Nature Communications，2019（135）：342-345.

[27] 王春源，曹民和，曹小倩.量子計算人工智能的發展現狀、應用和未來展望[J].海峽科學，2019（09）：83-87.

[28] 李慶余.量子技術銀行應用展望[J].新金融世界，2017（10）：20-21.

[29] Zhang P . Reference-Frame-Independent Quantum-Key-Distribution Server with a Telecom Tether for an On-Chip Client[C/OL].第十六屆全國量子光學學術報告會報告摘要集，（2014-08-04）[2020-12-04].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CPFD&dbname=CPFD0914&filename=NSLZ201408001095&v=YcAoyrmtAiH1KF14W2pKjFOlrjE8BNzI03IKMWS5QdxQseW0LAM5GzwfXbiI2UUyXqZ5B2ASUMc%3d.

[30] MetcalfB J，Spring J B，Humphreys PC，et a1.Quantum teleportation on a photonic chip[J].Nature Photonics，2014，8（10）：770-774.

[31] Wang，Jianwei， Bonneau， Damien，Villa，Matteo. Chip-to-chip quantum photonic interconnect by path-polarization interconversion[J]. Optica.2016，3（04）：407.