量子计算（十四）：超导量子芯片

news2024/11/23 15:26:55

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超导量子芯片

超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森结。超导量子电路在设计、制备和测量等方面，与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化的潜力。

由于近年来的迅速发展，超导量子计算已成为目前最有希望实现通用量子计算的候选方案之一。超导量子计算实验点致力于构建一个多比特超导量子计算架构平台，解决超导量子计算规模化量产中遇到的难题。

如下图（a）所示，超导电路类似于传统的电子谐振电路，这种谐振电路产生了谐振子的能级。超导约瑟夫森效应使得超导电路在不发生损耗和退相干的情况下产生非线性，非线性导致谐振子的能级间隔不再等同，其中最低的两个能级可以用来实现量子比特的操控，如下图（b）所示。与经典谐振电路不同的是，超导电路还含有由约瑟夫森结带来的电感LJ这一项，改变这一项和电感L、电容C的比值，物理学家提出了多种基于超导线路的比特形式，如下图（c）所示。

超导量子计算的研究始于2000年前后，后来在美国耶鲁大学Schoelkopf和Devoret研究组的推动下，将超导比特和微波腔进行耦合，实现了量子比特高保真度的读出和纠缠，加速了超导量子比特的研究。微波腔是一种容纳微波光子的谐振腔，比特的两个能级会对微波腔的光子产生扰动，这一信号的扰动就可以用来实现比特信号的读出。比特和比特之间还可以通过微波腔相连，当两个比特和腔是强耦合状态的时候，两个比特就会通过腔发生相互作用，物理学家通过这一相互作用实现了两比特操作。在2009年，基于超导比特和腔的耦合，实现了两比特的高保真度量子算法，使得超导量子计算得到了世界的广泛关注。

从2014年开始，美国企业界开始关注超导量子比特的研究，并加入了研究的大潮中。2014年9月，美国Google公司与美国加州大学圣芭芭拉分校合作研究超导量子比特使用X-mon形式的超导量子比特，如下图（a）所示为一个9比特芯片，这个超导芯片的单比特和两比特保真度均可以超过99%，在X-mon结构中，近邻的两个比特可以直接发生相互作用。2016年基于这个芯片实现了对氢分子能量的模拟，表明了其对于量子计算商用化的决心。

2017年，Google发布了实现量子计算机对经典计算机的超越——“量子霸权“的发展蓝图。2018年年初，其设计了72比特的量子芯片，并着手进行制备和测量，这是向实现量子霸权迈出的第一步。在Google公司加入量子计算大战的同时，美国国际商用机器有限公司（IBM）于2016年5月在云平台上发布了他们的五比特量子芯片，如下图（b）所示，这种比特形式叫做Transmon，Transmon的单比特保真度可以超过99%，两比特保真度可以超过95%，在Transmon的结构中，比特和比特之间仍然用腔连接，使得其布线方式和X-mon相比更加自由。

2017年，IBM制备了20比特的芯片，并展示了用于50比特芯片的测量设备，同时也公布了对BeH2分子能量的模拟，表明了在量子计算的研究上紧随Google的步伐，不仅如此，IBM还发布了QISKit的量子软件包，促进了人们通过经典编程语言实现对量子计算机的操控。

除了美国Google公司和IBM公司外，美国Imtel公司和荷兰代尔夫特理工大学也合作设计了17比特和49比特超导量子芯片，并在2018年的CES大会上发布，不过具体的性能参数还有待测试；美国初创公司Rigetti发布了19比特超导量子芯片，并演示了无人监督的机器学习算法，使人们见到了利用量子计算机加速机器学习的曙光，如下图（c）所示。美国微软公司开发了Quantum Development Kit量子计算软件包，通过传统的软件产品Visual Studio就可以进行量子程序的编写。

在国内，2017年，中国科学技术大学潘建伟研究组实现了多达10个超导比特的纠缠，2018年年初，中科院和阿里云联合发布了11位量子比特芯片，保真度和Google的芯片不相上下，表明了我国在超导量子计算方面也不甘落后，并迎头赶上，同时，合肥本源量子公司也正在开发6比特高保真度量子芯片，如下图（d）所示。南京大学和浙江大学也对超导量子比特进行了卓有成效的研究。在超导量子计算方面，可谓是国内国外百花齐放，百家争鸣。