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。

据报道，我国大陆的合约半导体生产商中芯国际集成电路制造有限公司(SMIC)已经挤掉新加坡特许半导体制造公司，在2005年成为世界第三大硅芯片供应商。

SMIC去年的市场份额为6.4％，销售额11.7亿美元，年增20.1％，超过了特许半导体的6.2％、11.3亿美元、2.6％。

在SMIC之前位列第一和第二的分别是我国台湾的TSMC(台积电)和UMC(联电)。2005年TSMC的份额高达44.8％，销售额82.2亿美元，年增7.2％；UMC份额为15.4％，销售额28.2亿美元，下降19.3％。排名第五的是IBM生产部门，份额4.5％，销售额8.23亿美元，年增2.1％。

其他排名前十的合约芯片生产商还有：韩国MagnaChip半导体(2.1％，3.96亿美元)、台湾Vanguard国际半导体(1.9％，3.54亿美元)、韩国Dongbu半导体(1.9％，3.47亿美元)、我国上海Hua Hong NEC(1.7％，3.05亿美元)、美国捷智Jazz半导体(1.1％，2.10亿美元)。

芯片生产商一览表

A-Data Technology

Advanced Analogic Technologies

Advanced Linear Devices

Advanced Micro Devices （美国先进微电子器件公司）

Advanced Monolithic Systems

Advanced Power Technology

Advanced Semiconductor

AECO(日本阿伊阔公司)

AEG-TELEFUNKEN(德国德律风根公司)

Aeroflex Circuit Technology

Agere Systems

Agilent(Hewlett-Packard)

Allegro MicroSystems

Alpha Industries

Altera Corporation

AMIC Technology

ANADIGICS, Inc

Analog Devices (美国模拟器件公司)

Analog Intergrations Corporation

Analog Microelectronics

Analog Systems (美国模拟系统公司)

Apuls Intergrated Circuits

Asahi Kasei Microsystems

ATMEL Corporation

AUK corp

austriamicrosystems AG

AVX Corporation

AZ Displays

Boca Semiconductor Corporation

Brilliance Semiconductor

Burr-Brown Corporation

Bytes

C&D Technologies

California Micro Devices Corp

Calogic, LLC

Catalyst Semiconductor

Central Semiconductor Corp

Ceramate Technical

Cherry Semiconductor Corporation (美国切瑞半导体器件公司)

Chino-Excel Technology

Cirrus Logic

Clare, Inc.

CML Microcircuits

Comchip Technology

Compensated Deuices Incorporated

Cypress Semiconductor

Daewoo Semiconductor (韩国大宇电子公司)

Dallas Semiconducotr

Dc Components

DENSEI-LAMBDA

Diodes Incorporated

Diotec Semiconductor

Dynex Semiconductor

EIC discrete Semiconductors

ELAN Microelectronics Corp

Elantec Semiconductor

Elpida Memory

Epson Company

Ericsson

ETC

Etron Technology, Inc.

Exar Corporation

Fairchild Semiconductor (美国仙童公司)

Filtronic Compound Semiconductors

Formosa MS

Fuji Electric

Fujitsu Media Devices Limited (日本富士通公司)

General Semiconductor

General Instruments [GI] (美国通用仪器公司)

Gilway Technical Lamp

GOLD STAR[韩国金星(高尔达)电子公司]

GOOD-ARK Electronics

Hamamatsu Corporation

Harris Corporation

Hi-Sincerity Mocroelectronics

Hirose Electric

Hitachi Semiconductor (日本日立公司)

Hittite Microwave Corporation

Holt Integrated Circuits

Holtek Semiconductor Inc

Humirel

Hynix Semiconductor

IMP, Inc

Impala Linear Corporation

Infineon Technologies AG

InnovASIC, Inc

inntech (美国英特奇公司)

Integrated Circuit Solution Inc

Integrated Circuit Systems

Integrated Device Technology

Intel Corporation

International Rectifier

Intersil Corporation (美国英特锡尔公司)

ITT(德国ITT-半导体公司)

Jinan Gude Electronic Device

KEC(Korea Electronics)

Kemet Corporation

Knox Semiconductor, Inc

Kodenshi Corp

Kyocera Kinseki Corpotation

Lattice Semiconductor

LEM

Leshan Radio Company

Level One�?s

Linear Technology

Lite-On Technology Corporation

Littelfuse

LOGIC Devices Incorporated

LSI Computer Systems

Macronix International

Marktech Corporate

Matsushita Electric Works(Nais)

Maxim Integrated Products （美国）美信集成产品公司

Micrel Semiconductor

Micro Commercial Components

Micro Electronics

Micro Linear Corporation

MICRO NETWORK(美国微网路公司)

MICRO POWER SYSTEMS(美国微功耗系统公司)

AMERICAN MICRO SYSTEMS(美国微系统公司)

Microchip Technology

Micron Technology

Micropac Industries

Microsemi Corporation

Mitel Networks Corporation

MITEL SEMICONDUCTOR(加拿大米特尔半导体公司)

Mitsubishi Electric Semiconductor (日本三菱电机公司)

Mosel Vitelic, Corp

Mospec Semiconductor

MOSTEK(美国莫斯特卡公司)

Motorola, Inc (美国莫托罗拉半导体产品公司)

MULLARD(英国麦拉迪公司)

National Semiconductor (美国国家半导体公司)

NEC ELECTRON(日本电气公司)

New Japan Radio (新日本无线电公司)

Nippon Precision Circuits Inc

NITRON(美国NITROR公司)

NTE Electronics

OKI electronic componets (日本冲电气有限公司)(美国OKI半导体公司)

ON Semiconductor

OTAX Corporation

Pan Jit International Inc.

Panasonic Semiconductor (日本松下电器公司)

PerkinElmer Optoelectronics

Philips Semiconductors (荷兰菲利浦公司)

PLESSEY(英国普利西半导体公司) Plessey

PMC-Sierra, Inc

Polyfet RF Devices

Power Innovations Limited

Power Integrations, Inc.

Power Semiconductors

Power-One

Powerex Power Semiconductors

Powertip Technology

Precid-Dip Durtal SA

Princeton Technology Corp

PRO ELECTRON(欧洲电子联盟)

QT Optoelectronics

QUALCOMM Incorporated

RAYTHEON(美国雷声公司)

RCA(美国无线电公司)

Recom International Power

Rectron Semiconductor

RF Micro Devices

RICOH electronics devices division

Rohm (日本东洋电具制作所)(日本罗姆公司)

Sames

Samsung semiconductor (韩国三星电子公司)

Sanken electric (日本三肯电子公司)

Sanyo Semicon Device (日本三洋电气公司)

Seiko Instruments Inc

Seme LAB

Semicoa Semiconductor

Semtech Corporation

Semtech International Holdings Limited

SGS-ATES SEMICONDUCTOR(意大利SGS-亚特斯半导体公司)

Shanghai Lunsure Electronic Tech

Shanghai Sunrise Electronics

Sharp Electrionic Components [日本夏普(声宝)公司]

Shindengen Electric Mfg.Co.Ltd

Siemens Semiconductor Group (德国西门子公司)

SiGe Semiconductor, Inc.

SIGNETICS(美国西格尼蒂克公司)

SILICON GENERAL(美国通用硅片公司)

Silicon Storage Technology, Inc

Sipex Corporation

SOLITRON(美国索利特罗器件公司) Solitron

SONiX Technology Company

Sony Corporation (日本索尼公司)

SPRAGUE ELECTRIC(美国史普拉格电子公司)

SSS(美国固体科学公司)

STMicroelectronics

Supertex, Inc

Surge Components

System Logic Semiconductor

Taiwan Memory Technology

Taiyo Yuden (U.S.A.), Inc

Teccor Electronics

TelCom Semiconductor, Inc

TEMIC Semiconductors

TEXAR INTEGRATED SYSTEMS(美国埃克萨集成系统公司)

Texas Instruments (美国德克萨斯仪器公司)

Thermtrol Corporation

THOMSON-CSF(法国汤姆逊半导体公司)

TOKO, Inc

Tontek Design Technology

Torex Semiconductor

Toshiba Semiconductor

TRACO Electronic AG

Traco Electronic AG

TRANSYS Electronics Limited

TriQuint Semiconductor

TRSYS

TRW LSI PRODUCTS(美国TRW大规模集成电路公司)

Tyco Electronics

UMC Corporation

UNISEM

Unisonic Technologies

United Monolithic Semiconductors

Unity Opto Technology

Vaishali Semiconductor

Vanguard International Semiconductor

Vicor Corporation

Vishay Siliconix

Vishay Telefunken

Winbond

Wing Shing Computer Components

Wolfgang Knap

Wolfson Microelectronics plc

Won-Top Electronics

Xicor Inc.

Xilinx, Inc

YAMAHA(日本雅马哈公司)

Zetex Semiconductors

Zilog, Inc.

Zowie Technology Corporation