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国产量子芯片新突破:实现三量子比特逻辑门

来源:发布时间: 2018-02-22 153次浏览

从中国科学技术大学获悉,该校郭光灿院士团队近期在半导体量子芯片研制方面再获新进展,创新性地制备了半导体六量子点芯片,在国际上首次实现了半导体体系中的三量子比特逻辑门操控,为未来研制集成化半导体量子芯片迈出坚实一步。国际应用物理学权威期刊《物理评论应用》日前发表了该成果。

郭光灿院士在实验室

开发与现代半导体工艺兼容的半导体全电控量子芯片,是当前量子计算机研制的重要方向之一。郭光灿团队中的郭国平教授研究组长期致力于半导体量子芯片研发,近年来曾先后实现半导体单电荷量子比特普适逻辑门、两电荷量子比特控制非逻辑门等成果。

近期,郭国平与教授肖明、研究员李海欧、曹刚等人合作,通过理论计算分析,创新性地设计了T型电极开口式六量子点结构,该结构使得控制比特与目标比特有较强的耦合,同时两个目标比特之间的耦合较小,很好地满足了实现两个控制比特对目标比特受控非门的操控要求。他们利用优化设计的高频脉冲量子测控电路,成功实现了世界上首个基于半导体量子点体系的三电荷量子比特逻辑门,进一步提升量子计算的效率,为可扩展、可集成化半导体量子芯片的研制奠定了坚实基础。

《物理评论应用》审稿人认为,这项工作是半导体量子点量子计算方向的一个重要进展,详细、清楚地展示了高水平的实验技术,将引起学界对该领域极高的研究热情。

美国在量子芯片领域遥遥领先

虽然我们看到了国内量子芯片的进步,但我们需要看到,以Intel和IBM为代表的美国企业在这个领域遥遥领先。

量子子技术在2014年专利数开始大幅成长,至2016年,每年年成长高达12~39%幅度,显示量子技术正被突破瓶颈。技术领导者是1999年成立的新创公司D-Wave Systems,现正与美国NASA、Google合作,以量子电脑进行机器学习之运算研究。电脑硬件大厂Intel和IBM均已制作出量子电脑芯片;电脑软件大厂Microsoft则推出量子电脑专用程序语言「Q#」,藉由软硬件协同合作,期望在5年内让量子电脑进入商业市场。

在2018年Intel制作出49量子位元的超导体量子测试芯片,IBM亦制作出了50量子位元的处理芯片,使得2018年成为量子电脑发展的里程碑。

台湾工研院产经中心经理林泽民表示,50量子位元处理器已能做到目前全球的最快运算速度,但该产业链的建构与新材料、制程的稳定度都还需要进一步克服,才能真正实现量子电脑世代。然而,若能有一机构能突破目前所有技术局限,实现100量子位元,数位密码架构将遭遇极大打击。

林泽民以比特币为例,比特币的公钥与私钥理论上可以用因数分解破解,以目前的传统运算速度而言,必须耗费约1,092亿年才能得解;然而,100量子位元的量子电脑可以在三小时以内将密码解锁。尽管量子电脑的技术局限短时间内难以突破,然而美国以及其相关标准协会已经开始发展针对量子电脑运算模式的新密码架构。

量子电脑除了须采用新的硬件与软件,在产品上,则需运用超导体与贵金属铌等新材料,并且须在零下273度(绝对零度)下的极端环境中运行。另一方面,面对即将来临的量子电脑世代,将会是一个崭新的产业链。在对于新材料特性的了解与取得,以及新制程的生产精度与稳定度的要求,都是量子电脑产业要面临的新挑战,也是台湾产业转型过程中需要解决的难题。

“量子霸权”竞争日趋激烈

根据《瞭望》新闻周刊的的报道,宣布重大突破的IBM和英特尔,是否已经实现或逼近量子霸权?答案是并没有。

数量够了,质量不够。多位业内专家介绍,量子霸权所指的50个比特,数量是一方面,更要看量子纠缠操纵精度、相干特性、逻辑门保真度等指标,这才是主要难点。

“实现量子霸权至少有两个关键技术:比特数和纠错容错能力,不能保持脆弱的量子相干性,无法实现真正意义上的量子计算。”中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿介绍说,近年来量子比特数研究进展较快,但纠错容错能力进展缓慢。

美国得州大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森表示,量子数量远不是唯一的关键因素,加拿大D-Wave公司的产品已实现了2000个量子比特,但这些量子位似乎没有足够长的相干时间,以至于该产品并没有明显胜过传统计算机。

“样机”和“测试芯片”未获认可。2017年度菲涅尔奖获得者、中国科学技术大学教授陆朝阳认为,IBM发布的是“样机”,没有公布有价值的测试结果,并不被学界认可。只有经过严格的同行评议并在国际学术期刊上发表测试结果,才具权威性。

国家“超级973”固态量子芯片项目首席科学家郭国平认为,英特尔发布的是测试芯片,测试结果还未可知。从英特尔的技术方案来看,实现量子霸权还有很长的路要走。

“称霸门槛”已经提高。量子霸权的指标定为50个比特,是因为当时认为模拟49量子比特是传统计算机的极限。但去年10月,在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的传统计算机上,成功模拟了56比特的量子计算机。

《瞭望》新闻周刊记者获悉,近期中国的一个量子研究组再次刷新纪录,可模拟超过60个比特的量子计算。这意味着,量子霸权的“门槛”已提高到60个以上,未来还可能提高。

受访学者们认为,几大IT巨头密集发布量子计算进展,很大程度上是出于商业目的,争夺行业话语权和公众眼球。但从侧面也表明,量子计算加速发展,国际竞争日趋激烈。