量子晶元

中國半導體量子晶元研究

中科院量子信息重點實驗室教授郭國平、肖明與合作者成功實現了半導體量子點體系的兩個電荷量子比特的控制非邏輯門，成果於7月17日發表在《自然—通訊》上。中科院量子信息重點實驗室郭國平教授半導體量子晶元研究組及其合作者又破世界紀錄，通過實驗成功實現世界上最快速量子邏輯門操作，取得半導體量子晶元研究的重要突破。

傳統砷化鎵半導體量子點量子比特研究

半導體量子點由於其良好的擴展性和集成性是實現固態量子計算的最有力候選者。由單電子在雙量子點中的左右量子點的佔據態編碼的電荷量子比特有眾多的優越性，成為量子計算研究最熱門的研究方向。首先，電荷量子比特門操作速度可以較大範圍的調節，達到GHz的頻率；其次，電荷量子比特的製備、操控和讀取可以用全電學操控來完成；最後，電子電荷自由度作為量子比特可以與現有信息處理技術兼容，並且可以利用先進的半導體工藝技術完成大面積的擴展和集成。

一個單量子比特邏輯門操控和一個兩量子比特受控非門可以組合任意一個普適量子邏輯門操控，而實現普適量子邏輯門操控是實現量子信息處理過程的最關鍵技術。國際上主要有美國哈佛大學、威斯康星大學等集中在電子電荷量子比特的量子計算研究，我們研究團隊在2013年成功實現了半導體超快普適單比特量子邏輯門（Nat. Commun. 4:1401 (2013)，經過兩年的摸索和積累，研究組在2015年成功實現兩個電荷量子比特的控制非門，其操控最短在200皮秒以內完成。相對於國際上目前電子自旋兩量子比特的最高水平，新的半導體兩量子比特的操控速度提高了數百倍。單比特和兩比特的量子邏輯門的完成，表明量子計算所需的所有基本量子邏輯門都可以在半導體上通過全電控制方式實現。這種方式具有操控方便、速度超快、可集成化、併兼容傳統半導體電子技術等重要優點，是進一步研製實用化半導體量子計算的堅實基礎。

圖示為單量子比特操控和兩量子比特操控實驗樣品和實驗測量圖。

新型非摻雜砷化鎵和硅鍺異質結量子比特的製備和操控研究

傳統的砷化鎵量子點是基於摻雜的砷化鎵鋁異質結中的二維電子氣上形成的。由於摻雜不可避免的削弱電子電荷和自旋的穩定性，從而增加了量子比特受到摻雜電子電荷雜訊的影響，縮短了量子比特的弛豫時間，加快了量子比特的的退相干過程。以解決上述問題為目標，分別採用非摻雜GaAs和SiGe異質結進行新型雙層結構量子點器件的設計和製備，減小電荷雜訊的影響，排除核自旋的影響，延長量子比特的退相干時間，實現單電子電荷和自旋量子比特的製備、測量和操控。新型量子點器件是繼承傳統量子點器件可集成性等優勢的同時，又具有高遷移率、強穩定性的增強型量子點研究體系，是實現多量子比特耦合的基礎。

基於非摻雜砷化鎵異質結的電荷量子比特和基於非摻雜SiGe異質結的電子自旋量子比特研究都是相關研究中的新興熱門領域，特別是基於SiGe量子點的自旋量子比特由於其沒有核自旋，具有較長的量子退相干時間。我們研究團隊成功製備了兩種材料的雙量子點器件，完成了砷化鎵量子點的表徵和電子弛豫時間以及退相干時間的測量，正在開展進一步的實驗研究。

圖示為新型非摻雜砷化鎵和硅鍺雙量子點樣品的結構圖和實驗測量。

半導體量子點與超導腔耦合的複合量子比特以及多量子比特擴展

基於半導體量子點的量子計算方案都是利用相鄰量子點量子比特之間的交換相互作用來實現多比特的量子邏輯門操作，非近鄰量子比特之間的邏輯門操作需要通過一系列近鄰門操作組合完成，這大大增加了計算過程中邏輯門操作的數量和難度。最近有些理論工作提出借用超導量子比特系統中的超導傳輸諧振腔等概念來實現半導體量子點非近鄰量子比特耦合的量子數據匯流排，但是相應的實驗還處於起步和摸索階段。不過半導體量子點和超導諧振腔為我們提供一種嶄新的物理體系，同時很好的兼容了傳統半導體產業各種微納米工藝和技術，在未來的信息處理器中具有廣闊的應用前景。我們團隊提出了最早的非強耦合條件下的超導傳輸諧振腔與量子點量子計算理論方案（Phys. Rev. Lett. 101 , 230501 (2008).），大大降低了實驗的要求和難度。

我們研究團隊在半導體量子點的製備和操控方面積累了大量的實驗經驗和技術，對超導諧振腔體的製備和表徵也掌握關鍵的工藝技術。經過幾年研究積累，完成了超導諧振腔與石墨烯雙量子點以及超導諧振腔與兩個石墨烯雙量子點實現遠程耦合的實驗研究，以此為基礎著力於解決半導體量子點多比特之間的耦合問題，具有很大的理論和實驗挑戰性。我們目前的這些前期工作已屬於世界研究前列，結合已開展的半導體量子點處理單元和測量單元研究，集中推進基於固態量子比特的多量子比特擴展研究。

基於新型二維材料（Graphene，TMDS）體系的量子器件製備和量子物理研究

二維材料體系由於其獨特的結構和性質優越性，被科學界大量研究，特別是單層石墨烯材料，以及最近掀起一波研究熱潮的TMD材料體系。我們研究團隊在實驗室內設計製備了多種石墨烯量子點元器件，2009年在國際上首先製備出石墨烯量子點+單電子測量器的晶元（ Applied. Phys. Letters 97, 262113 (2010)），特別是製備出了世界上第一塊並聯的石墨烯雙量子點樣品（ Applied. Phys. Letters 99, 112117 (2011)），開發了集成測量讀出系統的全石墨單電子晶體管；設計了石墨烯量子點元器件的全電學操控模式，掌握了精細調節電極控制量子點器件上電子狀態的規律和方法；另外我們在國際上率先提出了石墨烯量子點量子計算的完整方案等；我們設計的石墨烯結構和尺寸等方面的優勢在國際上也居於比較前列的位置。近期我們也開展了關於TMDs材料方面的量子器件研究，取得了一些重要的實驗結果。

量子晶元人工智慧

據國外媒體報道，當前計算機數據是由1和0表示的，然而，量子計算機能夠使用亞原子粒子編碼數據。專家認為，量子比特同時具有兩種狀態，能夠顯著提高計算速度和能力。目前，谷歌公司與科學家聯手研製量子級計算機處理器，有望未來使機器人像人類一樣“獨立思考問題”。

美國加州大學聖塔芭芭拉分校物理學家約翰-馬蒂尼斯(John Martinis)是人工智慧領域的資深研究員之一，他與谷歌公司建立合作關係，在量子人工智慧實驗室進行研究工作。

谷歌公司工程部主管哈爾穆特-內文(Hartmut Neven)說：“該量子人工智慧實驗室目前能夠實施和測試量子最優化和推理處理器的最新設計。”

谷歌公司致力於自動駕駛汽車和機器人研究，開始日益聚焦人工智慧技術。谷歌公司收購DeepMind Technologies人工智慧公司，DeepMind Technologies創始人之一、神經系統科學家傑米斯-哈薩比斯(Demis Hassabis)兩年前曾嘗試研製像人類一樣思考的計算機。

然而，DeepMind Technologies另一位創始人謝恩-雷格(Shane Leg)警告稱，人工智慧是本世紀最危險的技術之一，認為它將導致人類滅絕。

量子生物晶元是釆用微電子技術製造，引用量子物理領域到人體生物電場，量子晶元吸收空間的電磁波，通過晶元頻率轉換，發射轉換后的無線電與人體生物電協調，利用頻率共振原理，與人體生物電發生和諧共振，協調人體內的電流平衡，達到加快微循環流量和流速，從而打通微循環障礙，使得身體所有細胞有充足的氧氣，養分供應，毒素得以排除體外，恢復人體的自我療愈功能，讓細胞實現自我修復→臟器修復→系統修復，恢復健康體質，延緩衰老，增強壽命，提升生命品質。量子晶元發展成頂尖功能的高科健康產品，對身體保健預防，調理疾病和身體康復起到了跨時代的意義，是自然能量療愈的重要理程碑。

“量子衛星之父”潘建偉：15年後用量子晶元防盜刷

46歲的“學霸”科學家潘建偉近期再度受關注，是因為我國發射的世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。預計在11月中旬，這顆衛星將完成全部在軌測試工作，開始國際前沿量子科學實驗。潘建偉正是這顆量子衛星的首席科學家。

在11月5日舉行的“2016年中國科技傳播論壇”上，潘建偉表示，將用15年左右時間，構建天地一體的有量子通信安全保障的未來網際網路，即量子網際網路。他說，“量子稱霸”為時不遠。

“有國外同行把量子衛星比喻為前蘇聯的‘伴侶號’衛星，那是人類第一顆人造衛星，所以‘墨子號’的開創性不言而喻。”潘建偉自豪地說。

量子通信與普通老百姓的生活有關嗎？他介紹說，中國力爭到2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網路，並在此基礎上，構建信息充分安全的“量子網際網路”。開始可能國防安全用得比較多，如果這個秘鑰好用的話，馬上緊接而來的可能是金融領域，因為他們有一些保密性特彆強的數據，需要這個技術。當然再過幾年成本低下來之後，每個老百姓的手機、銀行賬號里也可以用這種方法來進行保密。

他甚至給出了一個量子通信技術普及的時間表：5年左右很多機要部門開始用，10年左右金融業、銀行等大機構開始使用，15年的時間或許走進千家萬戶。屆時，每個人的家裡只要裝上一個量子加密晶元，那麼，銀行轉款、電子賬戶等涉密操作，都不用擔心被盜用或者攻擊。

也許就在不遠的將來，量子通信技術將如同手機、電腦一般，走入尋常百姓家。