1.超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展?fàn)顩r
2018年3月5日美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，谷歌展示了其正在測(cè)試的72量子位超導(dǎo)量子芯片Bristlecone。谷歌物理學(xué)家朱利安·凱利表示，研討團(tuán)隊(duì)希望初次運(yùn)用更大的量子芯片來展現(xiàn)霸權(quán)，并完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不能夠完成的計(jì)算。芯片之所以命名為Bristlecone，是由于其量子位被布局成相似于松果鱗片的容貌。
2019年1月10日，在CES 展會(huì)上IBM宣布推出世界上第一臺(tái)商用的集成量子計(jì)算系統(tǒng)：IBM Q System One。該量子計(jì)算機(jī)擁有20個(gè)量子位的計(jì)算力，Q System One被包在一個(gè)兩三米高的耐熱玻璃箱中，它的核心部分掛在箱頂，像一盞華麗的吊燈。
2019年10月23日，谷歌公司完成研53量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)Sycamore。谷歌稱Sycamore運(yùn)算速度是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1.5萬億倍，比如一個(gè)異常復(fù)雜的運(yùn)算，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要運(yùn)算1萬年才得出結(jié)果，而Sycamore只需要200秒就能完成。研發(fā)團(tuán)隊(duì)的首席物理學(xué)家約翰·馬丁尼斯表示，Sycamore的速度已經(jīng)遠(yuǎn)勝世界上任何一臺(tái)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。
020年3月24 日，在全球物理學(xué)盛會(huì) 2022APS 年會(huì)上，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室公布了一系列最新進(jìn)展，達(dá)摩實(shí)驗(yàn)室采用新型超導(dǎo)量子比特 fluxonium 的兩比特門操控精度已達(dá)到 99.72%，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室成功設(shè)計(jì)并制造出了兩比特量子芯片，實(shí)現(xiàn)了單比特操控精度 99.97%，兩比特 iSWAP 門操控精度最高達(dá) 99.72%。
2020年9月12日，本源量子發(fā)布了搭載6比特超導(dǎo)量子處理器夸父 KF C6-130芯片的本源悟源，這是中國(guó)首臺(tái)國(guó)產(chǎn)工程化的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。作為一臺(tái)能夠脫離實(shí)驗(yàn)室環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，它支持在生物醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)、大數(shù)據(jù)、航空航天、密碼破譯等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
2021年5月7日，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，自主研制62比特超導(dǎo)量子比特芯片Zuchongzhi?(祖沖之),并在此基礎(chǔ)上完成超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”。
2.量子計(jì)算機(jī)技術(shù)分類
目前主流的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)路線有：超導(dǎo)電路、離子阱、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、光量子等，每種技術(shù)路線都有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。這些路線仍然處于基礎(chǔ)理論研究和原型產(chǎn)品研發(fā)驗(yàn)證階段，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)仍未突破，仍需要全世界的科學(xué)家共同努力！
超導(dǎo)量子技術(shù)是使用制冷機(jī)將使用了約瑟夫森元件的電路冷卻至極低溫度使其進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)量子比特，通過微波脈沖等手段進(jìn)行量子門操作，由此實(shí)現(xiàn)量子比特。超導(dǎo)量子技術(shù)被認(rèn)為是最有可能率先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算的方案之一，谷歌、IBM、英特爾、本源量子（中國(guó)）、北京量子院（中國(guó)）等都布局了超導(dǎo)量子技術(shù)路線。
離子阱技術(shù)是利用電荷與電磁場(chǎng)間的交互作用力牽制帶電粒子體運(yùn)動(dòng)，并利用受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成的兩個(gè)能級(jí)作為量子比特，是一種將離子通過電磁場(chǎng)限定在有限空間內(nèi)的設(shè)備。
半導(dǎo)體量子點(diǎn)技術(shù)是通過在三維空間中將一個(gè)電子與外部隔離來消除其他電子對(duì)該電子的影響的機(jī)制。它是一種重要的低維半導(dǎo)體材料，其三個(gè)維度上的尺寸都不大于其對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料的激子玻爾半徑的兩倍。類似于超導(dǎo)電路需要極低的溫度才能工作，被隔離的電子也只有冷卻至極低的溫度才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的量子比特。
光量子技術(shù)是將光子作為量子比特使用的方法，通過單光子源發(fā)射單個(gè)光子，使用光的振動(dòng)方向(偏振)來充當(dāng)量子比特，并通過將其輸入光量子電路中來執(zhí)行量子操作，以此實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。
3.超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)組成
超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)通常由4個(gè)部分組成：量子芯片系統(tǒng)、量子計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、量子計(jì)算環(huán)境支撐系統(tǒng)、量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)示意圖如下：
量子芯片系統(tǒng)是基于超導(dǎo)量子芯片的系統(tǒng)，它是量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心，由它執(zhí)行量子計(jì)算。
量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)是量子計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)量子芯片運(yùn)行的控制。
量子計(jì)算環(huán)境支撐系統(tǒng)包括超低溫制冷系統(tǒng)和量子計(jì)算機(jī)主機(jī)主動(dòng)減振系統(tǒng)，為量子計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供工作環(huán)境保障。
量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是量子計(jì)算機(jī)提供量子計(jì)算軟件體系根本性框架，具備多量子計(jì)算、量子芯片自動(dòng)校準(zhǔn)、量子資源高效管理等功能。
超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如下：
4.超導(dǎo)量子芯片
超導(dǎo)量子芯片是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的核心，芯片中會(huì)集成多個(gè)超導(dǎo)量子比特，將量子信息編碼在量子比特上，通過微波操控執(zhí)行量子邏輯門操作，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。
超導(dǎo)量子芯片的關(guān)鍵電路元件包括：量子比特、讀出腔、控制線、讀取線。下圖是一個(gè)5個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片內(nèi)部電路圖。
1、圖中標(biāo)記為Q0?Q4的這五個(gè)十字形器件是transmon量子比特
2、圖中標(biāo)記為resonator的彎彎曲曲的器件是讀出腔，它的作用是用于單個(gè)量子比特狀態(tài)讀出。
3、圖中標(biāo)記為XY和Z的器件為控制線，xy控制線傳輸微波信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)能級(jí)的翻轉(zhuǎn)等操作，z
控制線，Z控制線的電流改變將會(huì)改變其外加磁場(chǎng)，與此同時(shí)SQUID的磁通也會(huì)發(fā)生變化。
4、readout為讀取線，用于讀取量子比特。
上圖中的5個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片的原理圖如下：
4.1量子比特
約瑟夫森結(jié)
超導(dǎo)量子芯片的量子比特是通過瑟夫森結(jié)電路實(shí)現(xiàn)，約瑟夫森結(jié)是由超導(dǎo)體（SC1）-絕緣介質(zhì)薄層（insulator）-超導(dǎo)體組成的結(jié)構(gòu)（SC2），絕緣層厚度通常在納米量級(jí)。在約瑟夫森結(jié)兩端加上電壓后是不會(huì)產(chǎn)生電流的，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)是斷路。當(dāng)絕緣介質(zhì)薄層（insulator）足夠薄時(shí)，電子就可以在SC1和SC2之間產(chǎn)生隧穿，從一端流到另一端產(chǎn)生電流。約瑟夫森結(jié)如下圖。
a為超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)，b為約瑟夫森結(jié)在電路中的表示符號(hào)，c為約瑟夫森結(jié)的電路模型
目前廣泛使用的技術(shù)是用一個(gè)由兩個(gè)相同的“結(jié)”打斷的環(huán)路來代替單個(gè)約瑟夫森結(jié)，形成直流超導(dǎo)量子干涉裝置（DC-SQUID）。由于SQUID兩端間干擾，兩個(gè)結(jié)的有效臨界電流可以通過施加磁通量穿透環(huán)路而降低，利用這個(gè)效應(yīng)可以通過改變外部磁通來調(diào)整瑟夫森結(jié)的能量。
超導(dǎo)量子比特
超導(dǎo)量子比特根據(jù)不同的自由度主要分為三類：電荷量子比特、通量量子比特、相位量子比特。這三種超導(dǎo)量子比特，都受不同噪聲的困擾而導(dǎo)致退相干時(shí)間很短，噪聲來源主要包括電荷漲落，磁通漲落，以及準(zhǔn)粒子噪聲等。三種超導(dǎo)量子比特電路圖如下。
a為電荷量子比特，b為通量量子比特，c為相位量子比特
在上述三類超導(dǎo)量子比特的基礎(chǔ)上衍生出許多新的超導(dǎo)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，新型超導(dǎo)量子比特電路如下圖。
1是對(duì)稱的transmon量子比特，2是不對(duì)稱的transmon量子比特，3是C-shunt通量量子比特4是C-shunt Fluxonium量子比特
對(duì)稱transmon、非對(duì)稱transmon在工程中不會(huì)改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在整個(gè)可調(diào)諧的頻率范圍內(nèi)，通量敏感性被抑制，保持了高相干性，目前超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)幾乎都是用Transmon技術(shù)。
Transmon型量子比特
Tansmon量子比特的全稱是“傳輸線旁路的等離子體振蕩量子比特”，本質(zhì)上就是在電荷量子比特上增加了一個(gè)大的旁路電容。這個(gè)電容極大地平滑了電荷色散關(guān)系，使得電路系統(tǒng)的能量對(duì)電荷的漲落變得很不敏感，自然就抑制了電荷噪聲。Tansmon量子比特包括Transmon、Xmon、Gmon、3D Transmon等。
Transmon還有一個(gè)重大的創(chuàng)新點(diǎn)就是把原來用于調(diào)控量子比特的門電容換成了與一個(gè)傳輸線諧振腔色散耦合。這一設(shè)計(jì)為量子比特提供了一種非常有用的測(cè)量方式——“量子非破壞測(cè)量”。Transmon量子比特及其電路示意圖如下。
a是Transmon量子比特的有效電路模型。CB是一個(gè)與超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID）并聯(lián)的大電容，Lr和Cr并聯(lián)形成讀出諧振器的等效電路，最右邊的電路是SQUID的磁通量偏置的SQUID。
b是Transmon量子比特的二維結(jié)構(gòu)示意圖
4.2讀出腔
讀出腔是超導(dǎo)量子芯片的關(guān)鍵電路元件之一，讀取腔是用來測(cè)量量子比特的狀態(tài)（0或者1）。讀取腔與量子比特耦合，在量子比特不同狀態(tài)下會(huì)有不同的結(jié)果，比如連上量子比特后譜線會(huì)發(fā)生色散頻移，能夠以此區(qū)分量子比特的狀態(tài)。在超導(dǎo)量子計(jì)算過程中量子比特狀態(tài)的讀取是間接的，量子比特會(huì)耦合到讀取腔，目的是在測(cè)量的時(shí)候避免破壞量子比特的狀態(tài)。
讀取腔可以理解為一個(gè) LC 電路振蕩器，在芯片版圖中讀取腔像蛇一樣彎彎曲曲的結(jié)構(gòu)，其實(shí)是一個(gè)共面波導(dǎo)，會(huì)有特定的共振頻率。
4.3控制線
在超導(dǎo)量子計(jì)算芯片中通過控制線改變量子比特的狀態(tài)，每個(gè)量子位通過兩條控制線實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特控制，控制線分為XY控制線和Z控制線。XY控制線是通過輸入微波信號(hào)對(duì)比特狀態(tài)進(jìn)行控制，Z 控制線是通過輸入電流產(chǎn)生磁通改變量子比特的頻率。
讀取線的作用輸出量子比特的狀態(tài)信息，讀取線與讀取腔耦合后連接到芯片引腳。
5.中國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀
2022年11月9日，IBM推出了“魚鷹”（Osprey）芯片，“魚鷹”是全球迄今為止量子比特最多的超導(dǎo)量子芯片，其內(nèi)部集成了433個(gè)量子比特！
中國(guó)研發(fā)的代表性超導(dǎo)量子芯片有：合肥源量子24位超導(dǎo)量子比特芯片KF-C24-100；浙江大學(xué)自主研發(fā)的26 位量子比特“天目1號(hào)”超導(dǎo)量子芯片；中科院量子信息與潘建偉團(tuán)隊(duì)自主研制62比特超導(dǎo)量子比特芯片Zuchongzhi（祖沖之）。
超導(dǎo)量子芯片技術(shù)方面是美國(guó)技術(shù)全球領(lǐng)先，中國(guó)超導(dǎo)量子芯片在量子比特?cái)?shù)量和量子可編程性相關(guān)技術(shù)與美國(guó)還是存在一定差距，由于中國(guó)計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)起步晚，整體基礎(chǔ)不如美國(guó)扎實(shí)，國(guó)人需要給相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員時(shí)間和耐心，相關(guān)科學(xué)家和研發(fā)人員需要砥礪前行為國(guó)爭(zhēng)光！
創(chuàng)作不易希望朋友們點(diǎn)贊，轉(zhuǎn)發(fā)，評(píng)論，關(guān)注!
您的點(diǎn)贊，轉(zhuǎn)發(fā)，評(píng)論，關(guān)注將是我持續(xù)更新的動(dòng)力!
