量子芯片的中国半导体量子芯片研究

中科院量子信息重点实验室教授郭国平、肖明与合作者成功实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门，成果于7月17日发表在《自然—通讯》上 。中科院量子信息重点实验室郭国平教授半导体量子芯片研究组及其合作者又破世界纪录，通过实验成功实现世界上最快速量子逻辑门 *** 作，取得半导体量子芯片研究的重要突破。

传统砷化镓半导体量子点量子比特研究

半导体量子点由于其良好的扩展性和集成性是实现固态量子计算的最有力候选者。由单电子在双量子点中的左右量子点的占据态编码的电荷量子比特有众多的优越性，成为量子计算研究最热门的研究方向。首先，电荷量子比特门 *** 作速度可以较大范围的调节，达到GHz的频率；其次，电荷量子比特的制备、 *** 控和读取可以用全电学 *** 控来完成；最后，电子电荷自由度作为量子比特可以与现有信息处理技术兼容，并且可以利用先进的半导体工艺技术完成大面积的扩展和集成。一个单量子比特逻辑门 *** 控和一个两量子比特受控非门可以组合任意一个普适量子逻辑门 *** 控，而实现普适量子逻辑门 *** 控是实现量子信息处理过程的最关键技术。国际上主要有美国哈佛大学、威斯康星大学等集中在电子电荷量子比特的量子计算研究，我们研究团队在2013年成功实现了半导体超快普适单比特量子逻辑门（Nat. Commun. 4:1401 (2013)，经过两年的摸索和积累，研究组在2015年成功实现两个电荷量子比特的控制非门，其 *** 控最短在200皮秒以内完成。相对于国际上目前电子自旋两量子比特的最高水平，新的半导体两量子比特的 *** 控速度提高了数百倍。单比特和两比特的量子逻辑门的完成，表明量子计算所需的所有基本量子逻辑门都可以在半导体上通过全电控制方式实现。这种方式具有 *** 控方便、速度超快、可集成化、并兼容传统半导体电子技术等重要优点，是进一步研制实用化半导体量子计算的坚实基础。

图示为单量子比特 *** 控和两量子比特 *** 控实验样品和实验测量图。

新型非掺杂砷化镓和硅锗异质结量子比特的制备和 *** 控研究

传统的砷化镓量子点是基于掺杂的砷化镓铝异质结中的二维电子气上形成的。由于掺杂不可避免的削弱电子电荷和自旋的稳定性，从而增加了量子比特受到掺杂电子电荷噪声的影响，缩短了量子比特的弛豫时间，加快了量子比特的的退相干过程。以解决上述问题为目标，分别采用非掺杂GaAs和SiGe异质结进行新型双层结构量子点器件的设计和制备，减小电荷噪声的影响，排除核自旋的影响，延长量子比特的退相干时间，实现单电子电荷和自旋量子比特的制备、测量和 *** 控。新型量子点器件是继承传统量子点器件可集成性等优势的同时，又具有高迁移率、强稳定性的增强型量子点研究体系，是实现多量子比特耦合的基础。基于非掺杂砷化镓异质结的电荷量子比特和基于非掺杂SiGe异质结的电子自旋量子比特研究都是相关研究中的新兴热门领域，特别是基于SiGe量子点的自旋量子比特由于其没有核自旋，具有较长的量子退相干时间。我们研究团队成功制备了两种材料的双量子点器件，完成了砷化镓量子点的表征和电子弛豫时间以及退相干时间的测量，正在开展进一步的实验研究。图示为新型非掺杂砷化镓和硅锗双量子点样品的结构图和实验测量。

半导体量子点与超导腔耦合的复合量子比特以及多量子比特扩展

基于半导体量子点的量子计算方案都是利用相邻量子点量子比特之间的交换相互作用来实现多比特的量子逻辑门 *** 作，非近邻量子比特之间的逻辑门 *** 作需要通过一系列近邻门 *** 作组合完成，这大大增加了计算过程中逻辑门 *** 作的数量和难度。最近有些理论工作提出借用超导量子比特系统中的超导传输谐振腔等概念来实现半导体量子点非近邻量子比特耦合的量子数据总线，但是相应的实验还处于起步和摸索阶段。不过半导体量子点和超导谐振腔为我们提供一种崭新的物理体系，同时很好的兼容了传统半导体产业各种微纳米工艺和技术，在未来的信息处理器中具有广阔的应用前景。我们团队提出了最早的非强耦合条件下的超导传输谐振腔与量子点量子计算理论方案（Phys. Rev. Lett. 101 , 230501 (2008).），大大降低了实验的要求和难度。

我们研究团队在半导体量子点的制备和 *** 控方面积累了大量的实验经验和技术，对超导谐振腔体的制备和表征也掌握关键的工艺技术。经过几年研究积累，完成了超导谐振腔与石墨烯双量子点以及超导谐振腔与两个石墨烯双量子点实现远程耦合的实验研究，以此为基础着力于解决半导体量子点多比特之间的耦合问题，具有很大的理论和实验挑战性。我们目前的这些前期工作已属于世界研究前列，结合已开展的半导体量子点处理单元和测量单元研究，集中推进基于固态量子比特的多量子比特扩展研究。

基于新型二维材料（Graphene，TMDS）体系的量子器件制备和量子物理研究

二维材料体系由于其独特的结构和性质优越性，被科学界大量研究，特别是单层石墨烯材料，以及最近掀起一波研究热潮的TMD材料体系。我们研究团队在实验室内设计制备了多种石墨烯量子点元器件，2009年在国际上首先制备出石墨烯量子点+单电子测量器的芯片（ Applied. Phys. Letters 97, 262113 (2010)），特别是制备出了世界上第一块并联的石墨烯双量子点样品（ Applied. Phys. Letters 99, 112117 (2011)），开发了集成测量读出系统的全石墨单电子晶体管；设计了石墨烯量子点元器件的全电学 *** 控模式，掌握了精细调节电极控制量子点器件上电子状态的规律和方法；另外我们在国际上率先提出了石墨烯量子点量子计算的完整方案等；我们设计的石墨烯结构和尺寸等方面的优势在国际上也居于比较前列的位置。近期我们也开展了关于TMDs材料方面的量子器件研究，取得了一些重要的实验结果。

“量子芯片”是未来量子计算机的“大脑”。 2016年2月，国际权威杂志《物理评论快报》发表了中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室郭国平研究组在量子芯片开发领域的一项重要进展。该成果由郭国平研究组及合作者完成，首次在砷化镓半导体量子芯片中成功实现了量子相干特性好、 *** 控速度快、可控性强的电控新型编码量子比特。研究组利用半导体量子点的多电子态轨道的非对称特性，首次在砷化镓半导体系统中实现了轨道杂化的新型量子比特，巧妙地将电荷量子比特超快特性与自旋量子比特的长相干特性融为一体，实现了“鱼”和“熊掌”的兼得。实验结果表明，该新型量子比特在超快 *** 控速度方面与电荷量子比特类似，而其量子相干性方面，却比一般电荷编码量子比特提高近十倍。同时，该新型多电子轨道杂化实现量子比特编码和调控的方式具有很强的通用性，对探索半导体中极性声子和压电效应对量子相干特性的影响提供了新思路。

将芯片越做越薄，一直都是科学家们的梦想。

但我们都知道，现有的 硅晶体 已经越来越接近物理极限。

想要从“纳米级”突破到“原子级”，只能靠二硫化钼等 超薄半导体材 料来帮忙。

近日，来自瑞士巴塞尔大学的研究人员宣布，他们成功在二硫化钼材料上加入了 超导体触点 ，从而展示与硅晶体类似的特性。

这次实验的成功， 验证了超薄半导体材料制造半导体元器件的可行性 。

本次实验由Andreas Baumgartner博士领导，其领导的研究小组计划将一些具有半导体性质的天然材料层叠形成三维晶体，再与超导体结合起来，继而探究新材料的特性。

在实验开始，研究人员先将 二硫化钼分离成单独的层 ，这些单层的厚度不超过一个分子。

接着，研究人员像“制作三明治”一样在 单层的二硫化钼两侧加入两层薄薄的氮化硼 。在手套箱中的保护性氮气保护下，研究人员将氮化硼层堆叠在二硫化钼层上，并将底部与另一层氮化硼以及一层石墨烯结合。

然后，研究人员将这种复杂的范德华异质结构（一种特殊的三维结构） 放置在硅/二氧化硅晶片的顶部 。

这样就堆叠出一个 类似于半导体元件的全新合成材料 。

在堆叠完成后，研究人员开始在绝对零度以上（-273.15摄氏度）的低温下进行实现观察。

最后他们发现，在超低温的条件下，超导电测量清楚地显示了超导引起的效应；例如，单电子不再被允许通过。此外，研究人员还发现了半导体层和超导体之间存在强耦合的迹象。这些特性与目前半导体芯片的物理特性十分相似。

研究项目经理鲍姆加特纳解释说：“在超导体中，电子将自己排列成成对，就像舞伴一样，产生了奇怪而奇妙的结果，比如电流的流动没有电阻。另一方面，在半导体二硫化钼中，电子表演一种完全不同的舞蹈，一种奇怪的独舞，也包含了它们的磁矩。现在，如果我们把这些材料结合起来，我们想亲自看到这奇异的舞蹈。”

简单来说， 本次实验验证了超薄半导体材料代替硅晶体的可行性 ，为下一代半导体制造器件提供了新的思路。

如今的芯片制程工艺，已经完成了5nm的突破，科学家们发力向1nm的极限冲刺，今年5月6日，IBM率先宣布造出2nm芯片，顿时让整个半导体圈子欢欣鼓舞。

但由于摩尔定律的存在，即使单位面积容纳的晶体管数量逐步提前，但是效能无法得到显著提升，在硅晶片的物理特性即将达到极限的背景下，1nm工艺像一座大山挡在硅技术面前。

此外，在目前的先进制程里，都需要绝缘体的存在，他们存在的意义是要协助电子能顺利通过晶体管里的通道，当制程持续向下走，通道势必越来越小，晶体管之间的串扰会很大，芯片的效能表现也会大打折扣。

例如一颗5nm工艺材料的芯片里，已经塞下太多的晶体管， 一旦电子黏在芯片内部的氧化物绝缘体上，就会导致电流不易通过，最终引起功耗增加、芯片发热等问题 。

这也是为什么我们会吐槽台积电和三星5nm工艺纷纷“翻车”， 因为这真的太考虑后期的打磨 。

既然三维的材料会让电荷依附在上面，那么用二维材料作为替代品，可以完美避免电流通过的问题。

目前， 业内普遍采用二硫化钼作为二维超薄单层材料 ，这也是被认为是突破硅晶片小型化限制的最有力替代品。

事实上，除了此次瑞士巴塞尔大学的研究以外，学术界早已在二维材料连接上有所突破。

早前，麻省理工学院（MIT）的孔静教授领导的国际联合攻关团队宣布与台大、台积电共同完成合作，使用原子级薄材料铋（Bi）代替硅，有效地将这些2D材料连接到其他芯片元件上。

当铋（Bi）材料被作为二维材料的接触电极时，可以大幅度降低电阻并且提升电流 。

正如前文所说，金属和半导体材料之间的界面会产生了一种叫做金属诱导的间隙(MIGS)状态现象，抑制电荷载体的流动。而属于半金属的铋（Bi）材料，电子特性介于金属和半导体之间，可以有效消除了电荷流通的问题。

目前，台积电技术研究部门已经开始“铋（Bi）沉积制程”技术的研究，这项研究已经成为未来1nm工艺的突破所在。

通过这项技术，研究人员可以设计出具有非凡性能的微型化晶体管，可以有效满足了未来晶体管和芯片技术路线图的要求。

超薄半导体材料的成功验证，给我们展现出下一代半导体的无限潜力 ，未来的计算机或者会随着超薄半导体材料的成熟展现出全新的姿态。

同时我们也要看到，台积电、IBM都在积极抢占1nm先进制程工艺。

关于下一代半导体的竞争已经悄然开始 。

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