量子比特的载体是什么

黄培豪

19世纪中叶，迈克尔·法拉第（Michael Farada）和詹姆斯·麦克斯韦（James Maxwell）等人建立了电磁学理论，推动了以电气化为标志的第二次工业革命。19世纪末，人们在生活中已经广泛运用电气设备，例如白炽灯等。白炽灯的基本原理很简单，即电流通过灯丝时，灯丝会发热，当灯丝的温度升高到几千摄氏度时开始发光。然而，看似普通的白炽灯，人们对其发光光谱（即黑体辐射光谱）的解释却异常困难。

1900年，普朗克（1918年诺贝尔物理学奖获得者）提出光的能量是基本能量单元的整数倍，其中能量单元即量子，从而完美拟合了黑体辐射光谱（图1-5）。因为能量的不连续性和已知的电磁学理论不一致，普朗克为自己提出的量子概念感到困扰。1905年，爱因斯坦（1921年诺贝尔物理学奖获得者）利用光量子解释了光电效应，再次让人们认识到量子的威力。

普朗克和爱因斯坦两位巨匠开启了量子物理的时代。此后，玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、保罗·狄拉克（Paul Dirac）、泡利等人共同建立了量子力学，这些先驱者也因为他们的贡献而先后获得了诺贝尔物理学奖。

量子力学的建立推进了人们对世界的认识，特别是加深了人们对物质结构的认识。人们利用量子力学成功地制造出了晶体管和激光 ^［4，5］ 。晶体管和激光的发明推动了第三次工业革命，实现了工业生产的信息化。现在人类利用晶体管来制造电脑、智能手机等设备，并利用激光在光纤中的传播来传递网页、视频、语音等信息。其实，人们早已在日常生活中不知不觉地运用着量子力学，享受着量子力学带来的福祉。

随着量子力学在生产实践中的不断运用，人们对物质的控制及测量的精密程度也在不断提升。例如，物理学家大卫·维因兰德（David Wineland）和塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）分别实现了对单个离子和单个光子的测量与调控，因此获得了2012年诺贝尔物理学奖 ^［6］ 。崭新的精密操控物质的能力能否带来其他可能性呢？答案是：能。通过对单个光量子、单个原子、单个离子或单个电子的精密操控，人们可以利用量子力学的基本原理，即量子叠加原理，来进行发明和创造［图1-6（a）］。

量子叠加原理常导致怪异的量子力学现象，这种现象常常是违反直觉的。最著名的例子就是一项脑洞大开的思想实验——薛定谔的猫。在这个思想实验中，薛定谔的猫可处于既死又活的状态，我们称这种状态为量子叠加状态［图1-6（b）］。另一个著名的例子是爱因斯坦等人提出的量子纠缠态，该状态使得两个粒子存在一种超距关联，被称为鬼魅般的超距作用（spooky action at adistance）。后来的一系列实验证明，科学家提出的量子叠加和量子纠缠竟然是真实存在的！

量子力学的叠加原理意味着叠加在一起的每个量子态可以同时保存不同的数据信息，这就可以在有限的存储单元中存储海量信息。更有意思的是，这些叠加态里的信息可以同时参与运算，极大地提高了运算的速度。这样的性质带来了崭新的可能性，或许我们可以建造一种全新的计算机，即量子计算机 ^［7］ 。对于某些重要问题的求解，例如搜索、优化、质因数分解、特定线性方程的求解等，量子计算机将具有传统电子计算机所无法比拟的优势 ^［8］ 。

量子比特，顾名思义，应当是一种基本的信息单元，相对于传统计算机来说，量子比特就是量子计算机的基本信息单元。那么，量子比特的载体是什么，怎样才能制造出量子比特呢？其实，量子比特的载体可以是任何包含两个量子态的物理系统。目前，人们正在尝试以不同的物理系统为载体实现量子比特。例如，量子比特的载体可以是半导体量子点、超导电路、离子阱、半导体掺杂原子、NV中心、单光子以及拓扑量子态等。目前，这些方案各有优缺点，适合分别用于量子计算、量子存储、量子缓存或量子信息传递等不同任务。下面我们通过两个例子来认识一下量子比特的载体。

量子比特的载体之一是半导体量子点中的电子自旋 ^［9］ 。这里，我们讨论的量子点，是使用物理方法制造的门控半导体量子点，其中门电极（也称为栅极）上的电压被用来囚禁电子，该量子点便于电学控制，且与半导体制造工艺兼容。门控半导体量子点的结构和晶体管类似。传统的晶体管基于金属氧化物半导体场效应管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）。在MOSFET中，门电极的作用是打开或者关闭电流通道，就像水闸可以控制水流一样，从而实现经典信息0和1的变化（图1-7）。类似地，在氧化物表面放置多个门电极，门电极上的电压可使电子被围在中间，就像一个凹坑（图1-8），这个凹坑就被称为门控半导体量子点。

随着半导体制造工艺的发展，凹坑（即门控半导体量子点）可以被制造得很小（人类头发丝直径的万分之一），小到能够像原子一样表现出量子力学性质，人们把它称为人造原子。由于半导体的特性，人们可以通过改变门电极的电压，方便地改变凹坑的高低和大小，这样就能调整凹坑中的电子数，并在门控半导体量子点中设法囚禁单个电子。由于单个电子的自旋恰好包含平行或反平行于外磁场这两种量子态，当每个门控半导体量子点中只囚禁单个电子时，这个电子的自旋态就成为一个量子比特，简称自旋量子比特。自旋量子比特和其他载体相比最大的优点是相干时间长并且与半导体工艺兼容。

另一种实现量子比特的载体是超导电路 ^［10］ 。1911年，海克·昂内斯（Heike Onnes，1913年诺贝尔物理学奖获得者）发现，当利用液氦令汞降温至4.15 K时，汞的电阻竟忽然降至零，这种低温情况下电阻突然消失的情况被称为超导电性。1957年，约翰·巴丁（John Bardeen，1956年和1972年诺贝尔物理学奖获得者）等人提出了超导电性的微观理论，成功地为低温超导电性找到了一种合理的解释。1972年，巴丁因为这项贡献，再次获得了诺贝尔物理学奖（第一次是晶体管的发明）。超导电性的微观理论认为超导体中的电子之间配对形成了电子对（称为库珀对），电子对之间保持特定的相位关系，使得超导体表现出宏观量子特性。1962年，布莱恩·约瑟夫森（Brian Josephson，1973年诺贝尔物理学奖获得者）计算了超导结的隧道效应并预言了约瑟夫森效应：假如两个超导体之间的绝缘层足够薄，则电子对能够穿过超导结形成超导电流，而在超导结上却并不出现电压；如果在超导结上加上直流电压，则可以产生高频超导电流。约瑟夫森效应现在被用于精密测量以及制定电压标准等。省去一些复杂的物理细节，我们可以简单地认为包含约瑟夫森结的超导电路是一种人工原子，而约瑟夫森结是超导电路中的非线性元件，可调节人工原子的量子态的能量间距（图1-9） ^［11］ 。超导电路作为人工原子，其中任意两个量子态可作为一个量子比特。以超导电路为载体的优点在于，量子比特的尺寸较大，便于制造，而且宏观量子现象使得量子比特能够保持较好的相干性。

除了以上介绍的半导体量子点中的电子自旋和超导电路外，量子比特还有其他不同的实现方式，例如，离子阱中单个离子的超精细能级、半导体中掺杂原子的电子自旋、NV中心的自旋、单光子的偏振、拓扑量子态等 ^［12］ 。目前，全球各大高校、研究所与公司都纷纷投向各种不同量子比特载体的研究，都希望最先找到最合适的载体，来实现量子比特系统的制备、测量和控制，进而实现量子计算。量子计算领域进入了一个百花齐放、群雄争霸的时代。

当然，要将通用量子计算变成现实还有许许多多的难题需要解决。其中一个主要难题是怎样降低噪声的影响。噪声将破坏量子比特中存储的信息，从而降低量子操控的精度。为了实现容错量子计算，理论上量子操控精度至少要达到99.99%以上 ^［8］ 。然而，目前的实验手段和理论方案还达不到如此高的要求。因此，还需要科学家在未来解决这些问题并最终实现量子计算，进而帮助人类迎接更大的挑战。

黄培豪，南方科技大学深圳量子科学与工程研究院研究助理教授，上海交通大学博士。曾于美国布法罗大学、加州州立大学、马里兰大学和美国国家标准学会做博士后研究。研究领域为固态量子计算、量子控制、量子模拟等。 voTcHqdHVsc50i0tMIMyNmbXCC4xiopjY5TXNHo22jFVphY2avoHeaTFHOtro+JQ