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。

用手机拍一下

就能知道

牛奶是否变质？

户外PM2.5指数是多少？

自己身体是否 健康 ？

这就是中关村示范区前沿技术企业

研发的微型光谱仪

通过对量子点纳米材料的创新应用

他们将实验室里昂贵且庞大的科学仪器

放在了手机镜头上

使得这项神奇的功能

即将成为现实

关于芯视界： 芯视界（北京） 科技 有限公司是一家来自中关村示范区的高新 科技 企业。成立至今，芯视界通过不断的技术革新和应用 探索 ，开启以“量子点光谱传感技术”解码万物的新时代；实现对物质的智能化实时实地检测、鉴别和监控。在科研、环保、工业、农业、医疗、食品、教育、航空航天等多个领域，重塑人们的生产和生活方式。未来芯视界将继续推动科学探测、物联网、大数据、AI、深度学习等技术在物质识别、智能探测领域的深入应用，展现 科技 的无限可能。

发现：一双神奇的眼睛

肉眼看上去完全一样的两杯牛奶，要如何分辨他们的营养价值呢？

其实很简单，只要用光谱仪照一下就可以了。在光谱仪的“眼睛”里，这两杯牛奶显示的“颜色”（光波）可能完全不同。

这是因为不同质量和成分的牛奶对光波的反射率不同，所以在光谱仪的视角里两杯牛奶会呈现出不同的光谱图。利用光谱的手段可以快速便捷地分析牛奶中蛋白质、脂肪含量等营养信息。未来，再结合人体的 健康 指征，还能帮助我们选择适合自身体质的牛奶品类。

光谱仪能拥有如此神奇的“眼睛”，在于它对光波的解析与识别。光波是由原子内部运动电子产生的，因此不同的物质发射的光波也不同，这就好像是与生俱来的身份z，是辨别物质最简单也最准确的方式。通常人眼可以分辨的光波范围被称为可见光，而物质时时刻刻所发出的光波中，大多数并不能被人眼分辨，光谱仪却是一双可以分辨所有光波的神奇“眼睛”。

光谱仪作为将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，可以通过对光信息的抓取，以照相底片显影，或电脑化自动显示数值的仪器进行显示和分析，探知物质的成分、含量等信息。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。

既然光谱仪这么神奇，功能又非常实用，那为什么在日常生活中没能普及呢？原来，传统的光谱仪受光栅分光的物理原理限制，体积就像一台桌上打印机，无法随意搬动，且价格在几十万上下。

有没有什么方法能将光谱仪小型化又经济实惠呢？芯视界（北京） 科技 有限公司创始人鲍捷将量子点与光谱仪相结合， 探索 出了一条光谱仪微型化、传感化的新路子。

创新：重构光谱仪结构

纳米材料及纳米技术的研究与应用，是鲍捷从本科时期就开始研究的领域。

最初，鲍捷主要在做量子点在太阳能电池、光检测器领域的应用工作。他发现，调节量子点大小可以很方便地调节其颜色，这种不同于其他材料的突出特性却并没有在实际应用中得到充分利用。

神奇的量子点： 量子点是指由半导体材料制成，形态一般为球形或类球形，稳定直径在2～20 nm的纳米粒子。由于量子点非常微小，通常被制成溶液形态，从本质上来说，它其实就是一种可在微小范围内进行调控的光敏半导体晶体。不同大小的量子点所呈现的颜色不同，同时也对应着不同的光学特性，正是基于这一特性，它成了用来辨别物质颜色或光谱的绝佳材选。

既然量子点在紫外区域可以有这样的响应，那么在全波长范围内，是不是也会有这样的响应？根据这个原理，充分利用量子点的可调节性，就可以做成一个光谱仪。经过调查，鲍捷发现这是一条前人从未走过的道路，所以他便将量子点纳米技术和光谱方法进行结合，开始了量子点光谱仪的研究。

时间回到2013年，鲍捷带领团队采用新型量子点纳米材料和纳米技术，制作出了手机摄像头大小的光谱传感器。随后，他们将这一成果公布在了《自然》学术杂志上。经过实验检验，采用量子点光谱传感器技术的新型光谱仪在分辨率、使用范围和效率方面与现有设备性能一致。证明了他们将量子点纳米技术和光谱方法结合，对光谱仪的结构、算法进行重新定义和设计的可行性。

光谱仪终于变小了。鲍捷及其团队自主研发的量子点光谱传感器技术，可以将传统实验室里庞大昂贵的光谱仪成千倍缩小到几毫米平方的尺寸。随着芯片、传感器大规模量产，其价格也可以从原来几十万、几百万降至消费级水平，光谱仪这种只属于科学试验级的重要仪器，有了走入寻常百姓家的希望。

应用：水环境大数据监测溯源

经济的快速发展，城市人口的增多，工业化进程的加快，大量的生活废水、工业污水对环境构成了很大的威胁。对污水进行溯源分析，可以有效了解污水排放的情况并对其进行监控，避免污水源的扩散。

2019年底，北京市水务局在全北京36条大小河流、100个监测点部署了无人化、自动化、快速高效的水质监测微型终端，对入河排水口、闸口、考核断面等多种典型位置开展实时动态监控。

而这些实时监控的核心，是芯视界结合实际应用需求，基于量子点光谱传感技术而研发的水环境实时监测智能终端。它可实现水质实时、原位、在线监测，具有超低功耗、小巧灵活、安装简便、无需试剂、无二次污染等优势。将量子点光谱传感技术的首个产业化成果落地在环保领域，也是芯视界践行 科技 企业 社会 责任的初心。

相比站房式监测和人工采样需要数小时甚至数天才能出具检测结果，水环境实时监测智能终端从数据采集到输出可在几秒钟内完成，真正实现快速高效作业。从数据采集-传输-分析-计算-自动告警-反馈-记录，整个流程依靠芯视界的智能大数据算法自动完成。

此外，芯视界的“河长助手-海淀区河湖水质监测系统”，现已纳入到海淀区“城市大脑”管理平台中，对全海淀100多个水质监测点进行动态监控。在海淀区河道管理所的监测大屏上可以看到，一旦发现有人偷排污水，系统就会第一时间报警提示，并同步至海淀区水务局相关工作人员手机APP上，提醒相关工作人员迅速反应，抓住试图破坏环境的元凶。

今年3月初的一天，海淀区水务局工作人员就在手机上看到有河段报警，显示有污染。按照以往的经验，这个地方的水质应该是很好的。于是工作人员到现场查看，根据报警的位置最终找到是某处井盖错位，导致了水质变化。如果还是以前的工作模式，就很难如此快速地发现问题。

这仅仅是芯视界量子点光谱传感技术在环保领域的一次牛刀小试。

其实，量子点光谱传感器技术不仅可以帮我们检测水质质量，它还可以搭载到卫星上，进行太空 探索 ，可以做成胶囊吞服，无痛苦完成胃镜检测，甚至可以搭载到无人机上，看看哪片土壤的农作物上缺乏微量元素……未来，芯视界将用其独有的量子点光谱传感器技术，开启光谱信息化时代的大门。

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