总线制8量子比特超导量子计算芯片设计与仿真

为了完成Shor算法这类量子计算,需要更多的量子比特参与,同时需要延长量子比特的退相干时间,实现对量子比特更精准的调控。基于对以上要求的综合考虑,Xmon量子比特是一种目前最优的选择。设计了一个以Xmon为计算单元的总线制的8量子比特超导计算芯片,可以实现任意两个量子比特之间的耦合操作。首先根据实验基础设计量子比特与共面波导谐振腔的工作频率、量子比特的非谐性和谐振腔的品质因子。用Matlab软件仿真量子比特的能级,得到约瑟夫森能与电容充电能。其中约瑟夫森能的大小由约瑟夫森结的氧化时间长短控制,电容充电能则主要由Xmon的十字电容决定。由以上参数能够计算出量子比特与谐振腔的耦合强度与耦合电容,谐振腔的物理长度可以根据耦合电容的物理尺寸进行调节。然后根据不同的衬底工艺使用不同线宽以满足输入阻抗匹配的要求。使用Ledit绘图软件将以上物理尺寸表现在版图上。取出谐振腔的部分用HFSS软件仿真并调节其频率及品质因子,达到设计要求。量子比特的工作频率在测试时通过输入电流来调控。通过绘图与仿真,完成了一个可用于实验室加工制造并测试的总线制超导量子计算芯片版图。在此基础上,还设计了一种可以降低管脚数量的控制复用方案,为最终实现量子计算打下了一定基础。

FinFET纳电子学与量子芯片的新进展

综述了后摩尔时代中两大发展热点:鳍式场效应晶体管(FinFET)纳电子学和基于量子计算新算法的量子芯片的发展历程和近两年的最新进展。在FinFET纳电子学领域,综述并分析了当今Si基互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的发展现状,包括FinFET的发展、10 nm和7 nm技术节点的量产、5 nm和3 nm技术节点的环栅场效应晶体管(GAAFET)和2 nm技术节点的负电容场效应晶体管(FET)的前瞻性技术研究以及非Si器件(InGaAs FinFET、WS2和MoS2两种2D材料的FET)的探索性研究。指出继续摩尔定律的发展将以Si基FinFET和GAAFET的技术发展为主。在量子芯片领域,综述并分析了超导、电子自旋、光子、金刚石中的氮空位中心和离子阱等五种量子比特芯片的发展历程,提高相干时间、固态化及多量子比特扩展等的技术突破,以及近几年在量子信息应用的新进展。基于Si基的纳米制造技术和新的量子计算算法的结合正加速量子计算向工程化的进展。

量子芯片的研究现状与应用

随着集成电路工艺的发展,摩尔定律逐渐走向终结,于是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,目前已实现20个超导量子比特的量子芯片。离子阱量子计算性能优异,但体积庞大,目前IonQ公司已实现13个171Yb+离子组成的离子阱系统11位全连接可编程量子计算机。半导体量子芯片的计算性能不如这两种,但是由于传统半导体工艺现在已基本成熟,只要在实验室里能够实现样品芯片,理论上讲大规模工业生产就不存在问题。目前科学家们认为未来将很快实现10个量子比特的纠缠。量子芯片的研究将带来计算速度的提升、量子通信安全性的实现等优势。文章简要介绍了近年来量子芯片的研究进展以及对未来应用的展望。

用于免液氦量子电压装置的制冷系统研制

经典量子电压装置使用液氦提供4.2K低温环境,但目前全球性液氦资源供应紧张,价格高涨,在此背景下,进行适用于量子电压装置的免液氦制冷技术研究,降低装置运行和维护成本,扩展装置使用范围,具有现实意义。但是,制冷方式改变会使建立量子电压装置面临新的技术挑战,其中专用制冷系统需要解决两个难题,一是制冷系统提供的制冷量要超过量子超导阵列的运行需求,二是保持量子超导阵列运行时温度波动在其技术指标允许范围内。本文介绍了一套专用制冷系统,按照量子超导阵列的技术要求,该系统运行温度低于4.2K,制冷功率1W以上,温度波动±20mK,解决了上述难题。

以“玄”解“玄”,量子计算

从“悟空”催生大算力、光子跳出“霍尔舞步”,到大规模量子云算力集群、500+比特超导量子计算芯片的诞生,量子计算接连搞出“大新闻”。那么,量子计算到底有啥不一样?