所謂量子晶片就是將量子線路集成在基片上，進而承載量子信息處理的功能。借鑑於傳統計算機的發展歷程，量子計算機的研究在克服瓶頸技術之後，要想實現商品化和產業升級，需要走集成化的道路。目前，超導系統、半導體量子點系統、微納光子學系統、甚至是原子和離子系統，都想走晶片化的道路。從目前的發展看，超導量子晶片系統從技術上走在了其它物理系統的前面；傳統的半導體量子點系統也是目前人們努力探索的目標，因為畢竟傳統的半導體工業發展已經很成熟，如半導體量子晶片在退相干時間和操控精度上一旦突破容錯量子計算的閾值，有望集成傳統半導體工業的現有成果，大大節省開發成本。
基本介紹
- 中文名：量子晶片
- 外文名：Quantum Chip
- 領域：量子物理 量子生物
- 時間：2015年7月17日
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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2015年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片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，取得半導體量子晶片研究的重要突破。
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占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、並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。
新型非摻雜砷化鎵和矽鍺異質結量子比特的製備和操控研究
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征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。
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套用前景。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征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
“量子晶片”是未來量子計算機的“大腦”。 2016年2月，國際權威雜誌《物理評論快報》發表了中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室郭國平研究組在量子晶片開發領域的一項重要進展。該成果由郭國平研究組及合作者完成，首次在砷化鎵半導體量子晶片中成功實現了量子相干特性好、操控速度快、可控性強的電控新型編碼量子比特。研究組利用半導體量子點的多電子態軌道的非對稱特性，首次在砷化鎵半導體系統中實現了軌道雜化的新型量子比特，巧妙地將電荷量子比特超快特性與自旋量子比特的長相干特性融為一體，實現了“魚”和“熊掌”的兼得。實驗結果表明，該新型量子比特在超快操控速度方面與電荷量子比特類似，而其量子相干性方面，卻比一般電荷編碼量子比特提高近十倍。同時，該新型多電子軌道雜化實現量子比特編碼和調控的方式具有很強的通用性，對探索半導體中極性聲子和壓電效應對量子相干特性的影響提供了新思路。
2018年2月，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在半導體量子晶片研製方面再獲新進展，創新性地製備了半導體六量子點晶片，在國際上首次實現了半導體體系中的三量子比特邏輯門操控，為未來研製集成化半導體量子晶片邁出堅實一步。國際套用物理學權威期刊《物理評論套用》日前發表了該成果。
人工智慧
據國外媒體報導，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）是超導量子計算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最佳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。
可防盜刷
“量子衛星之父”潘建偉：15年後用量子晶片防盜刷
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片，那么，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。
