量子芯片

    “量子卫星之父”潘建伟：15年后用量子芯片防盗刷
    46岁的“学霸”科学家潘建伟近期再度受关注，是因为我国发射的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。预计在11月中旬，这颗卫星将完成全部在轨测试工作，开始国际前沿量子科学实验。潘建伟正是这颗量子卫星的首席科学家。
    在11月5日举行的“2016年中国科技传播论坛”上，潘建伟表示，将用15年左右时间，构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网，即量子互联网。他说，“量子称霸”为时不远。
    “有国外同行把量子卫星比喻为前苏联的‘伴侣号’卫星，那是人类第一颗人造卫星，所以‘墨子号’的开创性不言而喻。”潘建伟自豪地说。
    量子通信与普通老百姓的生活有关吗?他介绍说，中国力争到2030年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络，并在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”。开始可能国防安全用得比较多，如果这个秘钥好用的话，马上紧接而来的可能是金融领域，因为他们有一些保密性特别强的数据，需要这个技术。当然再过几年成本低下来之后，每个老百姓的手机、银行账号里也可以用这种方法来进行保密。
    他甚至给出了一个量子通信技术普及的时间表：5年左右很多机要部门开始用，10年左右金融业、银行等大机构开始使用，15年的时间或许走进千家万户。届时，每个人的家里只要装上一个量子加密芯片，那么，银行转款、电子账户等涉密操作，都不用担心被盗用或者攻击。?
    也许就在不远的将来，量子通信技术将如同手机、电脑一般，走入寻常百姓家。

    据国外媒体报道，当前计算机数据是由1和0表示的，然而，量子计算机能够使用亚原子粒子编码数据。专家认为，量子比特同时具有两种状态，能够显著提高计算速度和能力。目前，谷歌公司与科学家联手研制量子级计算机处理器，有望未来使机器人像人类一样“独立思考问题”。
    美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理学家约翰-马蒂尼斯(JohnMartinis)是超导量子计算领域的资深研究员之一，他与谷歌公司建立合作关系，在量子人工智能实验室进行研究工作。
    谷歌公司工程部主管哈尔穆特-内文(HartmutNeven)说：“该量子人工智能实验室目前能够实施和测试量子最优化和推理处理器的最新设计。”
    谷歌公司致力于自动驾驶汽车和机器人研究，开始日益聚焦人工智能技术。谷歌公司收购DeepMindTechnologies人工智能公司，DeepMindTechnologies创始人之一、神经系统科学家杰米斯-哈萨比斯(DemisHassabis)两年前曾尝试研制像人类一样思考的计算机。
    然而，DeepMindTechnologies另一位创始人谢恩-雷格(ShaneLeg)警告称，人工智能是本世纪最危险的技术之一，认为它将导致人类灭绝。

    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2015年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操作，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，电荷量子比特门操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、操控和读取可以用全电学操控来完成;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操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操控，而实现普适量子逻辑门操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，其操控最短在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操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。这种方式具有操控方便、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。
    新型非掺杂砷化镓和硅锗异质结量子比特的制备和操控研究
    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、测量和操控。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。
    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操作，非近邻量子比特之间的逻辑门操作需要通过一系列近邻门操作组合完成，这大大增加了计算过程中逻辑门操作的数量和难度。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操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
    “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、操控速度快、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操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。