500微秒!长寿命超导量子比特芯片,北京创造新世界纪录

500微秒!长寿命超导量子比特芯片,北京创造新世界纪录 原创 北京科协 北京科协

五项涵盖核心技术攻关、重大行业规范、重要科技创新指数的重大成果在2021中关村论坛全体会议上重磅发布。其中由北京量子信息科学研究院发布的长寿命超导量子比特芯片,突破500微秒大关,创造了全新的世界纪录。

人类对计算力的渴求是无止境的。从结绳记事以来,我们人类就认识到算术的重要性,可以毫不夸张地说,科技进步的水平是与计算能力的发展息息相关的。正是以半导体晶体管集成电路为基础的现代计算技术的指数式增长,带来了当今信息时代的爆发式进步。

河图洛书(图片来源:维基百科)

在今天,我们在手机上简简单单地输入一个关键字,就能在几秒内获得自己想要查询的信息;出行之前打开地图,就能迅速获得到达目的地的最优路线和实时交通状态;一句“嗨,小爱同学,今天天气怎么样?”就能快速地了解天气状况;……所有这些技术,在没有现代高度发达的计算力的情况下,是完全无法想象的。与此同时,我们的计算能力仍旧以摩尔定律——每两年翻一番的速度在增长。

什么是摩尔定律?

Gordon Moore(图片来源:维基百科)

1965年,仙童半导体公司的Gordon Moore在为《电子学》杂志35周年准备评论报告《让集成电路填满更多的元件》时发现:当价格不变时,每过18—24个月,集成电路上可容纳的元器件的数目约翻一倍,性能提升一倍。

资料图(图片来源:维基百科)

多年来摩尔定律一直是可靠的电子技术进步预测规律。但晶体管存在极限尺寸。由于海森堡不确定原理,晶体管的尺寸不可能无限制缩小,目前存在的晶体管的尺寸已经接近物理极限,摩尔定律逐渐走向终结,但人们对计算能力的渴求并不因此降低,反而大大增加了。

为什么要做量子芯片?

以互联网为代表的现代通信系统每时每刻在产生巨量的数据,如何从这些“数据矿山”中提取有用信息以进一步改善人类的生产生活,成为一个日益突出的问题和挑战。经典计算机目前的算力远不足以解决这一问题,目前算力的发展速度远低于数据增长的速度。

同时,由于器件尺寸的减小会导致加工的难度与成本增大,等离子刻蚀机、浸润式光刻机等纳米加工设备的换代成本更是达到数百亿美元。此外,当器件尺寸达到纳米量级时,量子隧穿效应将变得非常显著,晶体管中的电流会因此变得难以控制,可能会出现的量子尺寸效应将会导致经典计算机的计算结果准确性降低。此外,上亿个CMOS器件在一个芯片上高速工作将会导致严重的发热问题,这都将大大降低器件的稳定性。为了突破这种尺寸极限,科学家们转向量子芯片的研究。目前最有前途的量子芯片分别是超导体系、半导体体系和离子阱体系。超导量子芯片电路设计难度随着比特数增多而增大,目前我国已成功研发出实现 20个超导量子比特的量子芯片。

长寿命超导量子比特芯片是什么?

在量子物理领域,延长量子比特的相干时间一直是各国技术竞赛的焦点,量子比特的相干时间可以通俗理解为量子比特的寿命,是衡量量子芯片性能的重要指标之一。

在进行量子计算的过程中,只有量子电路作用的时间远短于相干时间才能确保最终得到正确可靠的结果,因此当相干时间越长,就可以做更深的量子电路,就更有希望实现有用的算法。长寿命超导量子比特芯片中的“长寿命”指的是比特能量驰豫的时间,相干时间的上限是它的两倍,因此也可以认为是相干时间的另一种表示方式,量子线路作用的时间同样要远小于这个能量驰豫时间。简单地讲就是量子比特的寿命越长,人们就可以做更好的量子电路,实现更好的量子计算性能。

研发难点是什么?

研发长寿命超导量子比特芯片的难点包括高质量薄膜的生长,刻蚀边界的优化,表面和界面的处理,以及测量线路噪声的抑制等方面。于海峰科研团队对超导量子比特性能进行深入探索,不断优化材料生长和微加工制备工艺,这也得益于薛其坤院士团队多年的超高质量薄膜生长经验。终于在2021年5月初,成功使量子比特退相干时间达到503微秒,打破了2020年3月由美国普林斯顿大学研究组保持的360微秒的世界纪录。

资料图(图片来源:北京日报)

研究人员介绍,目前两比特量子门的操作时间已经小于50纳秒,而500微秒的量子比特寿命意味着在寿命时间内可以进行一万次以上的门操作。从某种意义上讲,这个时间已经能够满足一些量子纠错方案,或者实现实用级别的量子算法,这也补足了超导量子计算在量子寿命方面不足的短板。该研究成果有望观测到原来无法观测到的量子过程或现象,为超导量子计算走向实用化打下了坚实的器件基础。

参考资料:

[1]Mitchell W M. The chips are down for Moore’s law[J]. Nature,2016,530(7589):144-147.

[2]Lundstrom M. Applied physics. Moore's law forever ?[J]. Science,2003,299(5604):210-1.

[3]金贻荣.超导与量子计算[J].自然杂志,第42卷第4期:301-310

[4]刘瀛旻,刘芬,尤瑞松,孙珲.量子芯片的研究现状与应用[J].科技智囊,2020年第12期:55-60

[5]突破“卡脖子”技术,到底牛在哪儿?来看北京科创最新成果![EB/OL].[2021-09-26].

https://news.bjd.com.cn/tech/2021/09/26/182802t133.html

[6]【中国科学报】研究团队合作开发20个超导量子比特的量子芯片[EB/OL].[2019-08-09].

http://www.cas.cn/cm/201908/t20190809_4709327.shtml

[7]长寿命超导量子比特芯片突破500微秒大关,专家解读[EB/OL].[2021-09-25].

https://www.bjnews.com.cn/detail/163256770314440.html

原标题:《500微秒!长寿命超导量子比特芯片,北京创造新世界纪录》