超导量子计算机

1.超导量子计算机发展状况

2018年3月5日美国物理学会年会上，谷歌展示了其正在测试的72量子位超导量子芯片Bristlecone。谷歌物理学家朱利安·凯利表示，研讨团队希望初次运用更大的量子芯片来展现霸权，并完成传统计算机不能够完成的计算。芯片之所以命名为Bristlecone，是由于其量子位被布局成相似于松果鳞片的容貌。
在这里插入图片描述
2019年1月10日，在CES 展会上IBM宣布推出世界上第一台商用的集成量子计算系统：IBM Q System One。该量子计算机拥有20个量子位的计算力，Q System One被包在一个两三米高的耐热玻璃箱中，它的核心部分挂在箱顶，像一盏华丽的吊灯。
在这里插入图片描述
2019年10月23日，谷歌公司完成研53量子比特的超导量子计算机Sycamore。谷歌称Sycamore运算速度是传统计算机的1.5万亿倍，比如一个异常复杂的运算，传统计算机需要运算1万年才得出结果，而Sycamore只需要200秒就能完成。研发团队的首席物理学家约翰·马丁尼斯表示，Sycamore的速度已经远胜世界上任何一台传统超级计算机。
在这里插入图片描述
020年3月24 日，在全球物理学盛会 2022APS 年会上，阿里巴巴达摩院量子实验室公布了一系列最新进展，达摩实验室采用新型超导量子比特 fluxonium 的两比特门操控精度已达到 99.72%，达摩院量子实验室成功设计并制造出了两比特量子芯片，实现了单比特操控精度 99.97%，两比特 iSWAP 门操控精度最高达 99.72%。
在这里插入图片描述
2020年9月12日，本源量子发布了搭载6比特超导量子处理器夸父 KF C6-130芯片的本源悟源，这是中国首台国产工程化的超导量子计算机。作为一台能够脱离实验室环境稳定运行的超导量子计算机，它支持在生物医药、化学工业、大数据、航空航天、密码破译等领域发挥作用。
在这里插入图片描述
2021年5月7日，中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，自主研制62比特超导量子比特芯片Zuchongzhi (祖冲之),并在此基础上完成超导量子计算原型机“祖冲之号”。
在这里插入图片描述

2.量子计算机技术分类

目前主流的量子计算机技术路线有：超导电路、离子阱、半导体量子点、光量子等，每种技术路线都有各自的优势和劣势。这些路线仍然处于基础理论研究和原型产品研发验证阶段，多项关键技术仍未突破，仍需要全世界的科学家共同努力！
在这里插入图片描述
超导量子技术是使用制冷机将使用了约瑟夫森元件的电路冷却至极低温度使其进入超导状态，由此实现量子比特，通过微波脉冲等手段进行量子门操作，由此实现量子比特。超导量子技术被认为是最有可能率先实现实用化量子计算的方案之一，谷歌、IBM、英特尔、本源量子（中国）、北京量子院（中国）等都布局了超导量子技术路线。

离子阱技术是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子体运动，并利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，是一种将离子通过电磁场限定在有限空间内的设备。
在这里插入图片描述
半导体量子点技术是通过在三维空间中将一个电子与外部隔离来消除其他电子对该电子的影响的机制。它是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。类似于超导电路需要极低的温度才能工作，被隔离的电子也只有冷却至极低的温度才能实现稳定的量子比特。
在这里插入图片描述
光量子技术是将光子作为量子比特使用的方法，通过单光子源发射单个光子，使用光的振动方向(偏振)来充当量子比特，并通过将其输入光量子电路中来执行量子操作，以此实现量子计算。

3.超导量子计算机组成

超导量子计算机通常由4个部分组成：量子芯片系统、量子计算机测控系统、量子计算环境支撑系统、量子计算机操作系统。超导量子计算机示意图如下：
在这里插入图片描述
量子芯片系统是基于超导量子芯片的系统，它是量子计算机的运算核心，由它执行量子计算。

量子计算测控系统是量子计算机的控制系统，用于实现对量子芯片运行的控制。

量子计算环境支撑系统包括超低温制冷系统和量子计算机主机主动减振系统，为量子计算机的稳定运行提供工作环境保障。

量子计算机操作系统是量子计算机提供量子计算软件体系根本性框架，具备多量子计算、量子芯片自动校准、量子资源高效管理等功能。

超导量子计算机的控制系统框图如下：
在这里插入图片描述

4.超导量子芯片

超导量子芯片是超导量子计算机的核心，芯片中会集成多个超导量子比特，将量子信息编码在量子比特上，通过微波操控执行量子逻辑门操作，从而实现量子计算。
超导量子芯片的关键电路元件包括：量子比特、读出腔、控制线、读取线。下图是一个5个量子比特的超导量子芯片内部电路图。
在这里插入图片描述

1、图中标记为Q0−Q4的这五个十字形器件是transmon量子比特
2、图中标记为resonator的弯弯曲曲的器件是读出腔，它的作用是用于单个量子比特状态读出。
3、图中标记为XY和Z的器件为控制线，xy控制线传输微波信号可以实现能级的翻转等操作，z
控制线，Z控制线的电流改变将会改变其外加磁场，与此同时SQUID的磁通也会发生变化。
4、readout为读取线，用于读取量子比特。

上图中的5个量子比特的超导量子芯片的原理图如下：
在这里插入图片描述

4.1量子比特

约瑟夫森结
超导量子芯片的量子比特是通过瑟夫森结电路实现，约瑟夫森结是由超导体（SC1）-绝缘介质薄层（insulator）-超导体组成的结构（SC2），绝缘层厚度通常在纳米量级。在约瑟夫森结两端加上电压后是不会产生电流的，因为这种结构是断路。当绝缘介质薄层（insulator）足够薄时，电子就可以在SC1和SC2之间产生隧穿，从一端流到另一端产生电流。约瑟夫森结如下图。
在这里插入图片描述

a为超导约瑟夫森结，b为约瑟夫森结在电路中的表示符号，c为约瑟夫森结的电路模型

目前广泛使用的技术是用一个由两个相同的“结”打断的环路来代替单个约瑟夫森结，形成直流超导量子干涉装置（DC-SQUID）。由于SQUID两端间干扰，两个结的有效临界电流可以通过施加磁通量穿透环路而降低，利用这个效应可以通过改变外部磁通来调整瑟夫森结的能量。

超导量子比特

超导量子比特根据不同的自由度主要分为三类：电荷量子比特、通量量子比特、相位量子比特。这三种超导量子比特，都受不同噪声的困扰而导致退相干时间很短，噪声来源主要包括电荷涨落，磁通涨落，以及准粒子噪声等。三种超导量子比特电路图如下。
在这里插入图片描述

a为电荷量子比特，b为通量量子比特，c为相位量子比特

在上述三类超导量子比特的基础上衍生出许多新的超导量子比特：如transmon型量子比特、C-shunt通量量子比特、fluxonium量子比特等，新型超导量子比特电路如下图。
在这里插入图片描述

1是对称的transmon量子比特，2是不对称的transmon量子比特，3是C-shunt通量量子比特4是C-shunt Fluxonium量子比特

对称transmon、非对称transmon在工程中不会改变电路拓扑结构，在整个可调谐的频率范围内，通量敏感性被抑制，保持了高相干性，目前超导量子计算机几乎都是用Transmon技术。

Transmon型量子比特

Tansmon量子比特的全称是“传输线旁路的等离子体振荡量子比特”，本质上就是在电荷量子比特上增加了一个大的旁路电容。这个电容极大地平滑了电荷色散关系，使得电路系统的能量对电荷的涨落变得很不敏感，自然就抑制了电荷噪声。Tansmon量子比特包括Transmon、Xmon、Gmon、3D Transmon等。
在这里插入图片描述
Transmon还有一个重大的创新点就是把原来用于调控量子比特的门电容换成了与一个传输线谐振腔色散耦合。这一设计为量子比特提供了一种非常有用的测量方式——“量子非破坏测量”。Transmon量子比特及其电路示意图如下。
在这里插入图片描述

a是Transmon量子比特的有效电路模型。CB是一个与超导量子干涉装置（SQUID）并联的大电容，Lr和Cr并联形成读出谐振器的等效电路，最右边的电路是SQUID的磁通量偏置的SQUID。
b是Transmon量子比特的二维结构示意图

4.2读出腔

读出腔是超导量子芯片的关键电路元件之一，读取腔是用来测量量子比特的状态（0或者1）。读取腔与量子比特耦合，在量子比特不同状态下会有不同的结果，比如连上量子比特后谱线会发生色散频移，能够以此区分量子比特的状态。在超导量子计算过程中量子比特状态的读取是间接的，量子比特会耦合到读取腔，目的是在测量的时候避免破坏量子比特的状态。
在这里插入图片描述
读取腔可以理解为一个 LC 电路振荡器，在芯片版图中读取腔像蛇一样弯弯曲曲的结构，其实是一个共面波导，会有特定的共振频率。

4.3控制线

在超导量子计算芯片中通过控制线改变量子比特的状态，每个量子位通过两条控制线实现对量子比特控制，控制线分为XY控制线和Z控制线。XY控制线是通过输入微波信号对比特状态进行控制，Z 控制线是通过输入电流产生磁通改变量子比特的频率。
在这里插入图片描述

4.4读取线

读取线的作用输出量子比特的状态信息，读取线与读取腔耦合后连接到芯片引脚。
在这里插入图片描述

5.中国超导量子计算机现状

2022年11月9日，IBM推出了“鱼鹰”（Osprey）芯片，“鱼鹰”是全球迄今为止量子比特最多的超导量子芯片，其内部集成了433个量子比特！
在这里插入图片描述
中国研发的代表性超导量子芯片有：合肥源量子24位超导量子比特芯片KF-C24-100；浙江大学自主研发的26 位量子比特“天目1号”超导量子芯片；中科院量子信息与潘建伟团队自主研制62比特超导量子比特芯片Zuchongzhi（祖冲之）。
在这里插入图片描述
超导量子芯片技术方面是美国技术全球领先，中国超导量子芯片在量子比特数量和量子可编程性相关技术与美国还是存在一定差距，由于中国计算机和半导体技术起步晚，整体基础不如美国扎实，国人需要给相关技术研发人员时间和耐心，相关科学家和研发人员需要砥砺前行为国争光！