來自浪潮和中科院等多家科研單位的中國科學(xué)家近日聯(lián)合發(fā)表關(guān)于最新量子計算研究的論文，提出了以半導(dǎo)體量子環(huán)構(gòu)建量子計算機的理論設(shè)想，提供了一種新的可行的量子比特實現(xiàn)方式。該論文已經(jīng)被英國皇家化學(xué)學(xué)會的雜志Phys. Chem. Chem. Phys.收錄并予以刊發(fā)（Phys. Chem. Chem. Phys., 2017,19, 30048-30054 ）。
量子計算機是通過疊加和糾纏的量子現(xiàn)象來實現(xiàn)計算力的增長。量子疊加使量子比特能夠同時具有0和1的數(shù)值，可進行“同步計算”；量子糾纏使分處兩地的兩個量子比特能共享量子態(tài)，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)：每增加一個量子比特，運算性能就翻一倍。理論上，擁有60個量子比特的量子計算機可瞬間實現(xiàn)百億億次計算（E級計算）。
量子計算的巨大潛在價值，使得它成為最火熱的研究項目之一。中美日歐各國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)開始量子計算的研究。今年5月，IBM發(fā)布16個量子比特的系統(tǒng)，半年之后即發(fā)布新型的20位量子比特的量子計算機，并宣稱已成功開發(fā)出一臺50位量子比特的原型機。谷歌量子硬件負責(zé)人約翰·馬丁尼斯（John Martinis）則在10月透露谷歌已擁有22個量子比特的芯片，并且計劃在明年發(fā)布49個量子比特的芯片。中國也在5月初發(fā)布了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機，成功實現(xiàn)了10個超導(dǎo)量子比特糾纏，預(yù)計年底可以實現(xiàn)操縱20個量子比特。
作為信息載體的量子比特的實現(xiàn)方式，是量子計算機的研究中一項關(guān)鍵性技術(shù)。優(yōu)秀的量子比特實現(xiàn)方式一般需要滿足幾項特定的要求，如較為容易的物理載體的實現(xiàn)方式、容易的初態(tài)制備和操作、較長的相干時間等等。
目前，量子比特的實現(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現(xiàn)的量子計算機各有優(yōu)劣，如光子相干時間較長但難以觀測和控制，超導(dǎo)環(huán)易于控制但相干時間極短，而離子阱雖然相干時間較長且易于控制，但由于需要頻繁的激光操作，因此效率不高。
此次浪潮和中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室、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，通過外場或電子數(shù)的方式實現(xiàn)對量子態(tài)的有效調(diào)控，并通過光學(xué)手段很容易探測。更重要的是，基于半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)機制則可以利用現(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格和精確的理論模擬方法，但計算量巨大，如3個電子態(tài)的物理計算就需要約30億億次雙精度浮點計算量，6個電子態(tài)的計算量更是增長100~1000倍，因此模擬代碼的實現(xiàn)在一開始就考慮到了大規(guī)模并行擴展和優(yōu)化，可實現(xiàn)對十?dāng)?shù)個電子態(tài)的模擬計算。
