量子計算研究新成果：或可實現半導體晶元到量子計算機平滑過渡

來自浪潮和中科院等多家科研單位的中國科學家近日聯合發表關於最新量子計算研究的論文，提出了以半導體量子環構建量子計算機的理論設想，提供了一種新的可行的量子比特實現方式。該論文已經被英國皇家化學學會的雜誌Phys. Chem. Chem. Phys.收錄並予以刊發（Phys. Chem. Chem. Phys., 2017,19, 30048-30054 ）。

論文刊發首頁

量子計算機是通過疊加和糾纏的量子現象來實現計算力的增長。量子疊加使量子比特能夠同時具有0和1的數值，可進行「同步計算」；量子糾纏使分處兩地的兩個量子比特能共享量子態，創造出超疊加效應：每增加一個量子比特，運算性能就翻一倍。理論上，擁有60個量子比特的量子計算機可瞬間實現百億億次計算（E級計算）。

神秘的量子世界

量子計算的巨大潛在價值，使得它成為最火熱的研究項目之一。中美日歐各國都在整合各方面研究力量和資源開展協同攻關，谷歌、微軟、IBM 、英特爾等科技公司也已經開始量子計算的研究。今年5月，IBM發布16個量子比特的系統，半年之後即發布新型的20位量子比特的量子計算機，並宣稱已成功開發出一台50位量子比特的原型機。谷歌量子硬體負責人約翰·馬丁尼斯（John Martinis）則在10月透露谷歌已擁有22個量子比特的晶元，並且計劃在明年發布49個量子比特的晶元。中國也在5月初發布了世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機，成功實現了10個超導量子比特糾纏，預計年底可以實現操縱20個量子比特。

作為信息載體的量子比特的實現方式，是量子計算機的研究中一項關鍵性技術。優秀的量子比特實現方式一般需要滿足幾項特定的要求，如較為容易的物理載體的實現方式、容易的初態製備和操作、較長的相干時間等等。

目前，量子比特的實現方式主要有光子、離子阱、超導環、半導體量子結構等，基於這些不同物理載體實現的量子計算機各有優劣，如光子相干時間較長但難以觀測和控制，超導環易於控制但相干時間極短，而離子阱雖然相干時間較長且易於控制，但由於需要頻繁的激光操作，因此效率不高。

此次浪潮集團和中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室、重慶郵電大學理學院、廈門大學物理科學與技術學院半導體光子學研究中心的相關研究人員從理論上提出的半導體量子環設想，可使用半導體量子多電子環中電子自旋軌道耦合調控的手段，通過外場或電子數的方式實現對量子態的有效調控，並通過光學手段很容易探測。更重要的是，基於半導體量子結構的實現機制則可以利用現有的半導體工藝，從而可以較為平滑地從經典的半導體晶元過渡到量子晶元。

本論文的研究方法使用了較為嚴格和精確的理論模擬方法，但計算量巨大，如3個電子態的物理計算就需要約30億億次雙精度浮點計算量，6個電子態的計算量更是增長100~1000倍，因此模擬代碼的實現在一開始就考慮到了大規模並行擴展和優化，可實現對十數個電子態的模擬計算。