量子也能构建计算机？什么是“硅基自旋量子比特”？

据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道，最近，国内半导体量子计算再迎新进展，中国科学技术大学郭光灿院士团队与美国、澳大利亚研究人员及我们国家的本源量子共同合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，自旋翻转速率超过540MHz——是目前国际上已经报道的最高值。相关的研究论文已经发表在了学术期刊《自然·通讯》上。

（图源：《自然·通讯》官网）

量子如何成为计算机？如何理解“硅基自旋量子比特”？我国量子计算机未来将如何发展？

量子是什么？量子如何成为计算机？

量子并不是一个具体的物理量。1900年，普朗克首次提出量子概念。普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子。爱因斯坦认为，光辐射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小单元。

按物理运动规律的不同，科学家们将遵从经典运动规律的那些物质所构成的世界称为“经典世界”，将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称，它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是玻色-爱因斯坦凝聚、超导体，“薛定谔猫”等宏观尺度下的量子系统。

通过传统晶体管的开关来编码经典比特的0和1可以构建经典计算机的处理器，我们同样可以使用量子来编码量子比特，从而构建量子处理器，再结合一些量子软件和硬件构建量子计算机。

量子计算技术拥有极快的计算速度和极强的信息处理能力。中科院量子信息重点实验室研究员李海欧表示，通用量子计算机的诞生将在海量信息处理、重大科学问题研究等方面产生巨大影响，甚至在国家的国际地位、经济发展、科技进步、国防***和信息安全等领域发挥关键性作用。

“硅基自旋量子比特”是什么？为什么它是量子计算研究的核心方向之一？

硅基自旋量子比特是硅基半导体量子计算的比特载体，硅基自旋量子比特里面包含两个概念，其一是硅基，即硅基半导体；其二是自旋量子比特。在半导体材料中有一种载流子——空穴，空穴为带正电荷的气泡，与带有电荷的电子类似，空穴同样可以自己旋转，科学家称它们的自转为自旋。以电子为例，电子可以绕着一个轴顺时针转，也可以逆时针转。我们想像电子绕着的轴是实体，用一只手握紧该轴，大拇指露出来，四个手指逆时针时，大拇指向上，此为自旋向上，四个手指顺时针时，大拇指向下，此为自旋向下，自旋向上和向下态分别编码比特的0和1就构成了自旋量子比特。

一个比特体系要想实现量子计算机研制，需要做到两点。一是比特的性能要好，二是比特具有可扩展性。比特的性能包括三个方面：一是量子退相干时间，也就是一个电子的自旋在向上和向下态之间连续变化能保持相干性的时间要足够长；第二个是操控速率，电子的自旋向上和向下两种状态之间变化的要足够的快；最后一个方面是单个比特门操控的保真度，硅基自旋已经实现了单比特门操控保真度99.9%和两比特门操控保真度99%。其次，在比特扩展方面，由于构造硅基自旋量子比特的硅基量子点的制备和加工工艺与现代半导体工艺技术完全兼容，具有极高的可扩展性。

结合了优质的比特性能和高度的可扩展性的硅基半导体自旋量子比特被认为是实现规模化量子计算机研制的核心方向之一。

我国在量子计算领域正在哪些方面寻求突破？

量子计算机的研制可以分为三个阶段：量子计算机原型机阶段，“量子霸权”或“量子优势”阶段，以及通用量子计算机阶段。各个物理体系都在向着更高阶段迈进，量子计算自然也不例外。

超导量子计算机方面，IBM在2021年11月宣布实现了127个超导量子比特，比特数在国际上首破“100”大关。我国的本源量子也已经实现了24个超导量子比特，正在进行更多比特的研发，期待本源量子能够在今年突破“100”比特大关。

硅基半导体量子计算方面，目前硅基半导体自旋量子比特数的国际最高水平是4—6个比特。我国的研究团队开展的硅基半导体量子计算，已经实现了自旋单量子比特和两量子比特的相干操控以及两量子比特的长程耦合，正在努力将单比特和两比特门的操控保真度进一步提升，把比特做得更好，进一步利用二维结构和微波光子耦合两种方式探索量子比特扩展架构，把比特做得更多，在实现量子计算机原型机演示的基础上加快实现“量子优势”的重大突破。

李海欧表示，量子计算机技术是世界大国之间的竞争焦点，但国内能够真正进行量子计算研发的人才十分稀缺，优秀量子计算人才的缺乏可能会阻碍我国量子信息技术的发展。李海欧希望政府和更多高校和科研单位能够加大对量子专业人才的培养和扶持，为国内科研单位和量子计算相关企业输送更多优秀人才，让量子计算在国内走得更远、更好。