5G通讯的应用，让硅光子技术快速发展。(图片来源：法新社)

目前量子计算技术用2个量子状态来叠加及纠缠，用以执行以量子比特为基础的运算，因此只要物质的物理性质具有二能阶系统(2-level system)，都有可能成为量子比特的制作材料。

迪文森佐标准

根据迪文森佐标准(DiVincenzo's criteria)的要求，满足以下五项便可实现量子计算。

• 可扩充性(scalability)
• 可以将量子比特初始化(simple fiducial state)
• 长相干的退相干时间(long relevant decoherence time)
• 通用的量子逻辑门(universal quantum gate)
• 量子比特状态可测量。

其中可扩充性被列为第一要求，这也是半导体产业的核心价值。

因为无法持续扩展的科技并不实用，小规模的量子比特充其量是科普玩具。

全物理体系量子比特

当前，主要有以下几种实现量子比特的技术，包括超导体、离子阱(trapped ion)、金刚石空位(nano-diamond nitrogen vacancy)、拓扑量子、量子点、光子、核磁共振( NMR)等技术。

其中超导体和离子阱技术目前发展较为领先。

超导体

超导体可以用电荷、相位和磁通量三种方式来形成量子比特，目前普遍用电荷(叫transmon)的方式，IBM与Google的53位比特量子计算机皆采取此种技术。而国内中科院、中科大、本源量子、浙江大学等在此技术上均有布局。

它的退相干时间约600us，需在极低温20mK环境下操作。

超导体的材料一般用溅射沉积或蒸镀的铝，虽然也算是半导体制程，但是超导量子比特形成的是宏观(macroscopic)的量子态，一个量子比特线路尺寸在几微米以上。

目前超导量子比特的控制和读取都是单独引线出来，媒体上看到内部布线杂乱的量子计算机就是这些连线，量子比特再多，用接线的方法就不行了。

虽然学界为超导体量子计算机发展出一科专门学问叫做线路量子电动力学(circuit QED)，但是由于基础的量子比特体积较大，很难借半导体技术来支撑其可扩充性。

离子阱

离子阱利用振荡无线电波所形成的位势限制数个离子例如Ca+或Yb+，排列成一直线。

它的退相干时间可长达600s，但量子逻辑门的运作很慢。控制量子比特可以用微波或可见光，读取则用激光，保真度(fidelity)很高。

早前，宣布在量子体积(总体量子计算能力)这一参数上将超越目前所有量子计算机的Honeywell就是采用的离子阱技术，其他还有IonQ和NIST等机构。

最近将离子阱制作在硅晶上的尝试算是初步成功，但是一个离子阱大概只能容纳十多个离子，要形成大规模的量子比特数大概得以模组的方式来构成。而模组与模组之间的纠缠需要另有通道，譬如以光子来纠缠两个量子比特模组，这是连现在半导体都还没实现的技术。

金刚石空位

金刚石空位将一个电子加入空缺之中，形成一个自旋s=1的量子态，借着旋转、纠缠这一自旋以操作量子比特。

它的退相干时间也较长，达60s，最重要的是它可以在室温下操作。

但是稳定的东西就难以操作，更麻烦的是晶格缺陷发生的程序是随机的，要紧密排列氮空缺需要原子工程(atomic engineering)，难度很髙，这是量子比特难以扩展的障碍。

拓扑量子

拓扑量子比特用超导体和其他材料界面中准粒子(quasi-particle)－任意子(anyon)－的相位当成量子比特。

因为任意子的存在具有拓扑性质，其量子比特的制备、保存、操作受拓扑保护，使得保真度大幅提高。

现在因为保真度不够高而衍生的量子纠错码(QECC；Quantum Error Correction Code)问题得以迎刃而解。

可惜拓扑量子的存在还在努力证明之中，遑论应用。

硅基量子比特

硅基(silicon-based)的量子比特有下列几种：NMR、量子点和光子。

NMR是指将有核自旋的原子，譬如31P或123Sb，植入硅晶圆中，以自旋的上、下当成量子比特能态，操控自旋的方法是用典型的NMR。

但是磁场在半导体元件上难以应用，因为磁场无法被限制在局部，对周遭的元件会有外溢的效应。

最近的进展是用核电共振(NER；Nuclear Electric Resonance)来控制植入硅晶的123Sb原子。由于是电场，可以用CMOS来建立，这是半导体熟悉的技术。剩下的问题之一是要纯化硅晶。28Si只占天然硅原子92%的丰度，其余的同位素有净核自旋，会成为干扰量子比特的环境噪声。

量子点

量子点基于娴熟的半导体工艺，因此Intel以此技术切入量子计算。

量子点可以用其中电子自旋的方向或电荷的有无当成量子状态。量子点的尺寸才50nm，制作并不困难，可扩展性也很髙。

近日，澳大利亚与荷兰的两个团队宣布已经开发出了可以在1开尔文以上的温度下工作的硅自旋量子位器件，这将提升量子比特扩展能力。

但量子点技术的挑战在于让两个量子点的量子比特纠缠，目前只能展示2个量子比特的纠缠。

国内仅有本源量子与中科大参与该项技术的研发，本源量子已推出硅基自旋二比特量子芯片。

光子

最后是将光子当成量子比特。光子有三个性质可以构成量子状态：自旋、偏振(polarization)和路径(path)。

路径是指光子经光子分离器(photon splitter)后因为量子机率的特性可能由不同方向行进，特别是在量子通讯和量子计算中的光源都是单光子。单一光子采取路径A就不会再走路径B，反之亦然。然而在未量测之前我们无法得知光子采取哪一条路径，这就是两种状态的叠加。

由于5G通信的应用，硅光子的技术发展迅速。硅光子与光子量子计算所用的调制器(modulator)有很多技术相通。

由于光子的退相干时间很长，而且以光子路径为量子状态的量子计算机在测量前可以在室温进行，许多人对它深寄期望。

近期，量子计算机公司PsiQuantum宣布成功募资2.15亿美元，宣称要在数年内完成百万量子比特级的量子计算机，目前在GlobalFoundries下片做硅光子元件，这个宣称的时程比全世界任何一家公司至少快5年以上。有趣的是这家公司创办人之一Prof. Terry Rudolph正是量子力学大宗师薛定谔的外孙。

子孙能不能克绍箕裘？敬请拭目以待。

(本文转自digitimes)