來自浪潮和中科院等多家科研單位的中國(guó)科學(xué)家近日聯(lián)合發(fā)表關(guān)于最新量子計(jì)算研究的論文，提出了以半導(dǎo)體量子環(huán)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的理論設(shè)想，提供了一種新的可行的量子比特實(shí)現(xiàn)方式。該論文已經(jīng)被英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)的雜志Phys. Chem. Chem. Phys.收錄并予以刊發(fā)（Phys. Chem. Chem. Phys., 2017,19, 30048-30054 ）。
量子計(jì)算機(jī)是通過疊加和糾纏的量子現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)計(jì)算力的增長(zhǎng)。量子疊加使量子比特能夠同時(shí)具有0和1的數(shù)值，可進(jìn)行“同步計(jì)算”；量子糾纏使分處兩地的兩個(gè)量子比特能共享量子態(tài)，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)：每增加一個(gè)量子比特，運(yùn)算性能就翻一倍。理論上，擁有60個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可瞬間實(shí)現(xiàn)百億億次計(jì)算（E級(jí)計(jì)算）。
量子計(jì)算的巨大潛在價(jià)值，使得它成為最火熱的研究項(xiàng)目之一。中美日歐各國(guó)都在整合各方面研究力量和資源開展協(xié)同攻關(guān)，谷歌、微軟、IBM 、英特爾等科技公司也已經(jīng)開始量子計(jì)算的研究。今年5月，IBM發(fā)布16個(gè)量子比特的系統(tǒng)，半年之后即發(fā)布新型的20位量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并宣稱已成功開發(fā)出一臺(tái)50位量子比特的原型機(jī)。谷歌量子硬件負(fù)責(zé)人約翰·馬丁尼斯（John Martinis）則在10月透露谷歌已擁有22個(gè)量子比特的芯片，并且計(jì)劃在明年發(fā)布49個(gè)量子比特的芯片。中國(guó)也在5月初發(fā)布了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏，預(yù)計(jì)年底可以實(shí)現(xiàn)操縱20個(gè)量子比特。
作為信息載體的量子比特的實(shí)現(xiàn)方式，是量子計(jì)算機(jī)的研究中一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。優(yōu)秀的量子比特實(shí)現(xiàn)方式一般需要滿足幾項(xiàng)特定的要求，如較為容易的物理載體的實(shí)現(xiàn)方式、容易的初態(tài)制備和操作、較長(zhǎng)的相干時(shí)間等等。
目前，量子比特的實(shí)現(xiàn)方式主要有光子、離子阱、超導(dǎo)環(huán)、半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)等，基于這些不同物理載體實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)各有優(yōu)劣，如光子相干時(shí)間較長(zhǎng)但難以觀測(cè)和控制，超導(dǎo)環(huán)易于控制但相干時(shí)間極短，而離子阱雖然相干時(shí)間較長(zhǎng)且易于控制，但由于需要頻繁的激光操作，因此效率不高。
此次浪潮和中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、重慶郵電大學(xué)理學(xué)院、廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院半導(dǎo)體光子學(xué)研究中心的相關(guān)研究人員從理論上提出的半導(dǎo)體量子環(huán)設(shè)想，可使用半導(dǎo)體量子多電子環(huán)中電子自旋軌道耦合調(diào)控的手段，通過外場(chǎng)或電子數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)的有效調(diào)控，并通過光學(xué)手段很容易探測(cè)。更重要的是，基于半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制則可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝，從而可以較為平滑地從經(jīng)典的半導(dǎo)體芯片過渡到量子芯片。
本論文的研究方法使用了較為嚴(yán)格和精確的理論模擬方法，但計(jì)算量巨大，如3個(gè)電子態(tài)的物理計(jì)算就需要約30億億次雙精度浮點(diǎn)計(jì)算量，6個(gè)電子態(tài)的計(jì)算量更是增長(zhǎng)100~1000倍，因此模擬代碼的實(shí)現(xiàn)在一開始就考慮到了大規(guī)模并行擴(kuò)展和優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)十?dāng)?shù)個(gè)電子態(tài)的模擬計(jì)算。
