潮科技 | 量子计算机可行性提高，可多亏了半导体普及

量子计算被视为下一个用来提高计算机运行效率的计算模式。尽管量子计算已经有了较深的的理论基础，但其可行性直到提近几年才得以提高，这归功于纳米技术和半导体的普及。

本文将从量子计算系统的构建原则入手，说明半导体技术应用于量子计算的优劣势，以及建立量子计算系统的三种主要途径。

量子计算系统的构建原则

在常规计算机中，信息单元用0或1表示，量子计算用量子位作为信息单元，同样用0或1表示信息单元的状态。不同的是，量子位可以处于叠加态，它既可以是0或1的某一种状态，也可以0和1两种状态同时存在，这使得量子计算机拥有比常规计算机更快的处理速度。

量子位是一切量子计算产生的基础。量子位呈现双态性，例如，它可以通过电子自旋位的1/2分量来判断其自旋态的上下形式，或者将光子偏振分为垂直或水平偏振。此外，量子位处于量子纠缠的状态下，这意味着当几个粒子相互作用后，其特性综合成为整体性质，因此不能再单独描述粒子的特性，而是要着眼于整体系统。

量子计算对于材料的物理特性有一定要求，因此构建量子计算机的材料类型很关键。以下为筛选的关键点：

• 材料中电子自旋的生命周期足够长，这样在量子态中储存信息的时间就越长；

• 能够利用外部场控制自旋操作；

• 能够控制自旋之间的相互作用；

• 能够控制自旋与外部贮存器之间的相互作用，并且在n个并行的量子位系统中具有执行操作的能力

此外，量子系统必须几乎完全保持与环境隔离，从而保持量子相干性。一旦发生量子退相干，那么退相干的时间要足够长，使系统读出电子的单自旋态和自旋共振态，完成计算。

半导体在量子计算中的应用

以半导体作为物理材料是量子计算机能够应用到商业场景中的重要条件。研究显示，量子计算需要在近乎零度的环境中进行，而半导体的应用则使得研究人员能够在室温条件下操作量子计算机，这大大提高了研究人员的工作效率。

在量子计算中使用半导体同样具有挑战性。由于许多半导体材料具有较高的自由度，这会加快量子之间的反应和去相关性的速度，原子工程和先进半导体制造技术的进步能够帮助减少此类效应。

异质结构中通常存在许多不同的半导体层，它们由相同的元素组成但具有不同的元素比例，这使得每一层的元素比例略有不同。异质结构位于半导体材料薄膜和缓冲层的顶部，以硅衬底作为基底。量子位就存在于异质结构中并与磁化层和异质结量子阱层一起工作。在这些系统中，量子之间互相独立且不可区分，通过电容测量来判断一个量子位元的核自旋是否演变成为单线态或者三重态。这是异质结构最基本的配置，其他配置在此基础上演变。

某些半导体异质结构可以用嵌入在异质结构中的自旋共振晶体管（SRT）来制造，与单一的异质结构系统相比，这种结构具备更多优势，因为它能够促使量子纠缠的产生。SRT的结合形成了一个CNOT门，它能够更精确地控制量子位之间的相互作用，并且消除了在异质结构表面设置多个门的需求。这种系统以不同的方式测量量子位的单线态和三重态。由于量子位处于晶体管和门电极之间，所以沟道电流对带电状态敏感，可以仅通过电流来确定电子状态。如果信道电流发生变化，量子位处于单重态；如果电流恒定，量子位则处于三重态。

另一种方法是通过量子点阵列构建量子计算系统。当两个量子比特耦合时，静电状态下的半导体量子点可以用来降低电子隧穿势垒时的位势。量子点阵列位于半导体异质结构的顶部，量子点在阵列中被耦合。垂直电场中的量子点能够在限定的距离内激发、定位电荷载流子并提示不同的状态。电场的存在使得空穴迁移到缓冲区并让电子保持基态，当电场关闭时，量子点纠缠在一起。读出的数据由量子位的局域自旋态决定，因为当自旋态处于“向下”方向时，电子离开量子点，导致量子位通过量子隧道与储能体产生相互作用；当自旋态处于“向上”方向时，电子保持在量子点内，不产生隧穿效应。激子的塞曼分裂，即电子能级的分裂，使量子点呈现叠加的“0和1”态。因此，量子的所有的状态很容易通过输出的电压和安培区别开来。