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。

华为公司夜景

最近一段时间，商界都在关注一件令人十分愤慨的事情：从明天开始，受美国政府的第三次非法制裁，华为公司将无法从美国高通、韩国三星电子公司和我国台湾地区的台积电公司，购入手机 麒麟 高端芯片了。当然，笔者也听到一件高兴的事情，那就是我国科学家已研制出量子芯片，而且量子手机也将问世。由此可见，在不长的时间内，某些国家制裁的大棒就会变成软绵绵的“油条”了。

华为公司与韩国三星公司也是商界合作伙伴

大家知道，这些年我国在量子研究方面，已走在世界的前列。 量子是一个在物理学中常用到的概念，指一个不可分割的基本个体。

量子概念最早是由德国物理学 家 M ·普朗克 在1900年提出的，经爱因斯坦、玻尔、 薛定谔 等人 的完善 。 在20世纪的前半期，初步建立了完整的量子力学理论 ， 绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论。

中国科技大学常务副校长潘建伟为在作量子信息实验

虽然欧美国家有关 量子力学理论 方面研究比我们开展得早，但中国是后来者居上，以中国科技大学常务副校长、中科院院士潘建伟为代表的量子信息领域的专家，近年来已在量子信息和量子通信实验研究方面取得了可喜的成果。

在经过前期大量的研究工作之后， 2014年潘建伟团队建成了 “ 济南量子通信试验网 ” 。 由他 牵头研制成功 了 国际上 首颗量子科学实验卫星 “ 墨子号 ” ，建成国际上首条量子保密通信 骨干网 “ 京沪干线 ” ，构建了首个空地一体的广域量子保密通信网络雏形，使我国量子保密通信的实验研究 与 应用研究 已 处于国际领先水平。

麒麟 高端芯片

近年来，我国的 华为 、 中兴公司多次 遭到美国 政府的非法制裁，致使 高通 公司对其 芯片断供 等 ，让不少 中 国科技企业都看到自主研发芯片的重要性，只有我们自己掌握了核心技术，那么我们在以后的发展过程中才不会受制于人；于是在国内就掀起了一股发展国产芯片的潮流，一时间，众多的国产科技巨头企业都开始投入重金来进行芯片的研发！

经过不断的 科研攻关 ，国产科技企业在芯片领域也开始取得 新成果 ， 近期 中科大和浙江大学的一个科研团队 对外 宣布：他们已经联手在量子芯片领域取得了突破 。 同时，他们还将最新的研究成果分别发表在《物理评论快报》和《science》上，可以说再一次向世界彰显了我们在量子领域所取得的突 破。

郭国平教授 等科学家研制成功的量子芯片

根据最新的消息显示：中 国 科 技大学 郭国平教授 的团队 已经研发出了半导体量子芯片，并且还打破了世界纪录，让这一芯片一举实现了世界上最快的量子逻辑门 *** 作。除了中科院以外，还有南理工大的一位中国籍科学家也研发出了一款新型的量子通信芯片，它不仅体积小，而且功能强大，甚至还能替代我们传统的手机中所使用的芯片，可以说现在量子手机也将 会 变成现实！ 让我们全力支持中国科学家的行动吧，并期待这一时刻早早到来。

　最近一段时间潘建伟团队捷报频传令人鼓舞！

9月5日，潘建伟在西湖大学首场公开课上，公开宣布了自己研究团队在上周取得的最新研究成果：“就在上个星期，我们刚刚完成了对50个光子的玻色取样，相比谷歌的‘量子优越性’大概可以快100万倍。”

此前8月，潘建伟团队成员朱晓波教授也在中科大上海研究院举办的“墨子沙龙”上表示，中科大团队年内即将实现60比特量子计算，将超越谷歌实现的53比特量子计算水平，并公布了未来十年研发目标即制备一百万比特保真度99.8%的量子计算机。

今年6月潘建伟团队在国际上首次实现基于纠缠的千公里级量子秘钥分发，确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下，依然能实现安全的量子通信，成为量子通信向现实应用的重要突破。

确实如果我国一直是这样的状态是很难超过其他国家的，但是在这个高科技时代，我国自主研发出了量子芯片，对于这种芯片外媒是这样报道的，新加坡南洋理工大学一名中国籍的科学家开发出了一种体积只有正常芯片1％大小的新型量子通讯芯片，这种新型量子芯片在手机领域将受到重视，它的出现为国人研发未来的新手机提供了思路。

这通俗一点来说就是量子手机时代，将不再是空谈。很多小伙伴可能放过“发明家”拆过自己的坏手机，发现手机里面的芯片其实很多，芯片的体积相对来说也比较大。

那么当芯片体积大小被缩小之后，手机里面就会有很多空间被腾出来。这样是不是就可以提高手机电池的蓄电能力呢？装载这样小体积的芯片以后，手机的性能是不是会提高很多？而且芯片不仅仅只能用于手机，还可以用在很多智能体系中，比如说战机的智能 *** 作系统，我国自主研发出“量子芯片”之后，国内一些科技公司已经领先去美国的其他公司

中国量子芯片突然宣布：量子手机变成现实，美国：中国不能独占！

众所周知，随着中国经济的不断发展和崛起，我们在科技领域也取得了不少的突破，但在一些高精尖的科技前沿领域，由于我们起步较晚，同时还受到国外技术封锁的影响，所以导致我们也还有不少的科学技术都落后于西方国家，但是中国的科技企业永不放弃的精神也让我们在科技领域取得了非常不错的成绩！

此前中兴和华为在遭到美国高通的芯片断供以后，让不少国产科技企业都看到自主研发芯片的重要性，只有我们自己掌握了核心技术，那么我们在以后的发展过程中才不会受制于人；于是在国内就掀起了一股发展国产芯片的潮流，一时间，众多的国产科技巨头企业都开始投入重金来进行芯片的研发！

经过不断的努力，国产科技企业在芯片领域也开始取得一个又一个的突破，如今在国产芯片领域，不仅华为研发出了先进的海思麒麟990处理器芯片，而且中科大和浙江大学的一个科研团队也突然宣布：他们已经联手在量子芯片领域取得了突破，同时，他们还将最新的研究成果分别发表在《物理评论快报》和《science》上，可以说这也再一次地向世界彰显了我们在量子领域所取得的突破！

中科大在文章中不仅提到了先进的量子技术，而且还展示了他们在24位量子比特量子芯片上所取得的成绩，可以说一旦我们在量子芯片领域取得突破的话，那么量子手机也将会变成现实，对此，一些西方国家也都纷纷表示羡慕不已，甚至美国科技界的不少人士都表示：中国不应该独占，要分享出来才行，还有不少美国人都认为中国不可能做到，但事实就摆在这里，让我们很是骄傲和自豪！

而根据最新的消息显示：中科院郭国平教授已经研发出了半导体量子芯片，并且还打破了世界纪录，让这一芯片一举实现了世界上最快的量子逻辑门 *** 作。除了中科院以外，还有南理工大的一位中国籍科学家也研发出了一款新型的量子通信芯片，它不仅体积小，而且功能强大，甚至还能替代我们传统的手机中所使用的芯片，可以说现在量子手机也将能变成现实！

这几年芯片的热度是一直不降，特别是5G大量开发，新能源汽车的发展，对芯片的需求可谓达到了前所未有。所以全球都闹起了“芯片荒”。我国作为全球的最大芯片进口国，受到的影响也变得越来越大。不过，虽然目前某些芯片采购仍是受制于海外企业，但好消息是，在未来这种情况或将大为改观。因为量子芯片要来了。如果量子芯片可以成功研制，那么将完全改变目前的现状。

也许还是有不少人对量子芯片比较陌生。但是它已经在各电子强国之间竞相研发了。

那什么是量子芯片呢？

量子芯片就是在主面板上集成了量子电路，所以它是一种量子信息处理功能。量子计算机基于叠加与纠缠的量子力学特性，能够实现远超经典计算机的算力飞跃，被喻为信息时代的“核武器”，关系着国家的未来核心竞争力。而量子芯片就是这项颠覆性技术的核心环节。

与经典计算机中的CPU类似，量子芯片是量子计算机的中央处理器，也被称为QPU(Quantum Processing Unit)，它集成了量子计算机的运算单元——量子比特。一块量子芯片的制造工艺越成熟、集成的量子比特数量越多，它的运算能力也就越强大。理论上，拥有300个量子比特的量子计算机所能运算的数据量超过整个宇宙的原子数量总和。

当前，进展最快的是超导量子技术。2019年10月，谷歌公司用一块53比特的超导量子芯片实现了量子优越性，证明了在某一特定问题上（随机量子电路采样）量子计算机超越经典计算机的能力。

国内的量子芯片

根据最新消息，合肥本源量子与合肥晶合集成电路公司已经签署合作协议，双方将共同建设本源-晶合量子芯片联合实验室。

按照规划，这个实验室将会实现从量子芯片设计到封装测试的全链条开发。也就是说，国内芯片企业将会通过研发量子的方式芯片对传统芯片设计、生产商进行弯道超车。

值得一提的是，目前国内量子芯片生产仍是以实验室加工为主。而想要实现量子芯片规模生产，就必然需要成熟的制造工艺和成熟的生产加工模式。

事实上，两家公司合力建造实验室，最终目的就是为了让量子计算芯片产线能够早日落地，这也是国内量子计算产业发展的最大阻碍。

而对于本源-晶合量子芯片联合实验室建立一事，美国院士詹姆斯更是直言，美国今后将无法继续拿芯片对中国做文章，芯片战争终于要结束了。相信未来中国的量子芯片也会在国际社会大放异彩。

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