原子级半导体！下一代的自旋/量子电子技术

1. 原子级半导体！下一代的自旋/量子电子技术

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   尽管电子器件越来越小，越来越快，但目前的晶体管只能缩小到一定程度，难以突破极限。
   据报道，史蒂文斯理工学院的研究人员开发了一种新型的原子薄磁体半导体，这通过利用电子的电荷及其自旋的力量，将能够开发出以完全不同的方式工作的新型晶体管。
   研究人员说，这可能提供了一种制造更小、更快的器件的方法，他们在2020年4月的《自然通讯》杂志上发表了这一发现。 
   
   自旋电子学是研究固态器件中电子的本征自旋及其相关的磁矩和电荷的学科。
   由于摩尔定律，预计在不久的将来，标准电子器件将达到其“极限”。而自旋电子学提出了一种全新的电子操作方式，并为标准电子器件的持续小型化提供了一种新的替代方案。
   据悉，除了可以做到更小的器件，该团队的原子薄磁铁据说能够实现更快的处理速度、更高的存储容量和更少的能量消耗。
      
   领导了这一项目的史蒂文斯机械工程EH Yang教授表示， “二维铁磁半导体材料中铁磁性和半导体特性共存，因为我们的材料可以在室温下工作，它使我们能够容易的半导体技术集成在一起。”
   “在此材料中的磁场强度为0.5mT的;而这样弱的磁场强度不能让我们拿起一个回形针，它是足够大的，以改变电子的自旋，其可用于量子比特应用，”加入史蒂文斯物理学教授斯特凡·斯特劳夫（Stefan Strauf）。
   “这种材料的磁场强度是0.5 mT，虽然如此弱的磁场强度不能让我们吸起回形针，但它已足够强，足以改变电子的自旋，可以用于量子比特应用，” Stefan Strauf补充说。
   研究人员认为，他们的发现可以为推进自旋电子学领域提供一个“关键平台”。

2. 中国半导体量子芯片有什么突破？

从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队近期在半导体量子芯片研制方面再获新进展，创新性地制备了半导体六量子点芯片，在国际上首次实现了半导体体系中的三量子比特逻辑门操控，为未来研制集成化半导体量子芯片迈出坚实一步。国际应用物理学权威期刊《物理评论应用》日前发表了该成果。

开发与现代半导体工艺兼容的半导体全电控量子芯片，是当前量子计算机研制的重要方向之一。郭光灿团队中的郭国平教授研究组长期致力于半导体量子芯片研发，近年来曾先后实现半导体单电荷量子比特普适逻辑门、两电荷量子比特控制非逻辑门等成果。



近期，郭国平与教授肖明、研究员李海欧、曹刚等人合作，通过理论计算分析，创新性地设计了T型电极开口式六量子点结构，该结构使得控制比特与目标比特有较强的耦合，同时两个目标比特之间的耦合较小，很好地满足了实现两个控制比特对目标比特受控非门的操控要求。他们利用优化设计的高频脉冲量子测控电路，成功实现了世界上首个基于半导体量子点体系的三电荷量子比特逻辑门，进一步提升量子计算的效率，为可扩展、可集成化半导体量子芯片的研制奠定了坚实基础。

《物理评论应用》审稿人认为，这项工作是半导体量子点量子计算方向的一个重要进展，详细、清楚地展示了高水平的实验技术，将引起学界对该领域极高的研究热情。
这是好事。

3. 量子芯片的中国半导体量子芯片研究

中科院量子信息重点实验室教授郭国平、肖明与合作者成功实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门，成果于7月17日发表在《自然—通讯》上 。中科院量子信息重点实验室郭国平教授半导体量子芯片研究组及其合作者又破世界纪录，通过实验成功实现世界上最快速量子逻辑门操作，取得半导体量子芯片研究的重要突破。 传统砷化镓半导体量子点量子比特研究 半导体量子点由于其良好的扩展性和集成性是实现固态量子计算的最有力候选者。由单电子在双量子点中的左右量子点的占据态编码的电荷量子比特有众多的优越性，成为量子计算研究最热门的研究方向。首先，电荷量子比特门操作速度可以较大范围的调节，达到GHz的频率；其次，电荷量子比特的制备、操控和读取可以用全电学操控来完成；最后，电子电荷自由度作为量子比特可以与现有信息处理技术兼容，并且可以利用先进的半导体工艺技术完成大面积的扩展和集成。　　一个单量子比特逻辑门操控和一个两量子比特受控非门可以组合任意一个普适量子逻辑门操控，而实现普适量子逻辑门操控是实现量子信息处理过程的最关键技术。国际上主要有美国哈佛大学、威斯康星大学等集中在电子电荷量子比特的量子计算研究，我们研究团队在2013年成功实现了半导体超快普适单比特量子逻辑门（Nat. Commun. 4:1401 (2013)，经过两年的摸索和积累，研究组在2015年成功实现两个电荷量子比特的控制非门，其操控最短在200皮秒以内完成。相对于国际上目前电子自旋两量子比特的最高水平，新的半导体两量子比特的操控速度提高了数百倍。单比特和两比特的量子逻辑门的完成，表明量子计算所需的所有基本量子逻辑门都可以在半导体上通过全电控制方式实现。这种方式具有操控方便、速度超快、可集成化、并兼容传统半导体电子技术等重要优点，是进一步研制实用化半导体量子计算的坚实基础。图示为单量子比特操控和两量子比特操控实验样品和实验测量图。新型非掺杂砷化镓和硅锗异质结量子比特的制备和操控研究传统的砷化镓量子点是基于掺杂的砷化镓铝异质结中的二维电子气上形成的。由于掺杂不可避免的削弱电子电荷和自旋的稳定性，从而增加了量子比特受到掺杂电子电荷噪声的影响，缩短了量子比特的弛豫时间，加快了量子比特的的退相干过程。以解决上述问题为目标，分别采用非掺杂GaAs和SiGe异质结进行新型双层结构量子点器件的设计和制备，减小电荷噪声的影响，排除核自旋的影响，延长量子比特的退相干时间，实现单电子电荷和自旋量子比特的制备、测量和操控。新型量子点器件是继承传统量子点器件可集成性等优势的同时，又具有高迁移率、强稳定性的增强型量子点研究体系，是实现多量子比特耦合的基础。　　基于非掺杂砷化镓异质结的电荷量子比特和基于非掺杂SiGe异质结的电子自旋量子比特研究都是相关研究中的新兴热门领域，特别是基于SiGe量子点的自旋量子比特由于其没有核自旋，具有较长的量子退相干时间。我们研究团队成功制备了两种材料的双量子点器件，完成了砷化镓量子点的表征和电子弛豫时间以及退相干时间的测量，正在开展进一步的实验研究。　　图示为新型非掺杂砷化镓和硅锗双量子点样品的结构图和实验测量。半导体量子点与超导腔耦合的复合量子比特以及多量子比特扩展基于半导体量子点的量子计算方案都是利用相邻量子点量子比特之间的交换相互作用来实现多比特的量子逻辑门操作，非近邻量子比特之间的逻辑门操作需要通过一系列近邻门操作组合完成，这大大增加了计算过程中逻辑门操作的数量和难度。最近有些理论工作提出借用超导量子比特系统中的超导传输谐振腔等概念来实现半导体量子点非近邻量子比特耦合的量子数据总线，但是相应的实验还处于起步和摸索阶段。不过半导体量子点和超导谐振腔为我们提供一种崭新的物理体系，同时很好的兼容了传统半导体产业各种微纳米工艺和技术，在未来的信息处理器中具有广阔的应用前景。我们团队提出了最早的非强耦合条件下的超导传输谐振腔与量子点量子计算理论方案（Phys. Rev. Lett. 101 , 230501 (2008).），大大降低了实验的要求和难度。我们研究团队在半导体量子点的制备和操控方面积累了大量的实验经验和技术，对超导谐振腔体的制备和表征也掌握关键的工艺技术。经过几年研究积累，完成了超导谐振腔与石墨烯双量子点以及超导谐振腔与两个石墨烯双量子点实现远程耦合的实验研究，以此为基础着力于解决半导体量子点多比特之间的耦合问题，具有很大的理论和实验挑战性。我们目前的这些前期工作已属于世界研究前列，结合已开展的半导体量子点处理单元和测量单元研究，集中推进基于固态量子比特的多量子比特扩展研究。基于新型二维材料（Graphene，TMDS）体系的量子器件制备和量子物理研究二维材料体系由于其独特的结构和性质优越性，被科学界大量研究，特别是单层石墨烯材料，以及最近掀起一波研究热潮的TMD材料体系。我们研究团队在实验室内设计制备了多种石墨烯量子点元器件，2009年在国际上首先制备出石墨烯量子点+单电子测量器的芯片（ Applied. Phys. Letters 97, 262113 (2010)），特别是制备出了世界上第一块并联的石墨烯双量子点样品（ Applied. Phys. Letters 99, 112117 (2011)），开发了集成测量读出系统的全石墨单电子晶体管；设计了石墨烯量子点元器件的全电学操控模式，掌握了精细调节电极控制量子点器件上电子状态的规律和方法；另外我们在国际上率先提出了石墨烯量子点量子计算的完整方案等；我们设计的石墨烯结构和尺寸等方面的优势在国际上也居于比较前列的位置。近期我们也开展了关于TMDs材料方面的量子器件研究，取得了一些重要的实验结果。“量子芯片”是未来量子计算机的“大脑”。 2016年2月，国际权威杂志《物理评论快报》发表了中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室郭国平研究组在量子芯片开发领域的一项重要进展。该成果由郭国平研究组及合作者完成，首次在砷化镓半导体量子芯片中成功实现了量子相干特性好、操控速度快、可控性强的电控新型编码量子比特。研究组利用半导体量子点的多电子态轨道的非对称特性，首次在砷化镓半导体系统中实现了轨道杂化的新型量子比特，巧妙地将电荷量子比特超快特性与自旋量子比特的长相干特性融为一体，实现了“鱼”和“熊掌”的兼得。实验结果表明，该新型量子比特在超快操控速度方面与电荷量子比特类似，而其量子相干性方面，却比一般电荷编码量子比特提高近十倍。同时，该新型多电子轨道杂化实现量子比特编码和调控的方式具有很强的通用性，对探索半导体中极性声子和压电效应对量子相干特性的影响提供了新思路。

4. 国内芯片重大好消息！中科院成功研制出光量子芯片

  近日，中科院传来一个好消息，对热度非常高的芯片行业来说绝对是一个震动，我国成功研制出新型芯片——光量子芯片 。不少人认为光量子芯片研发成功，意味着芯片卡脖子就会被解决，真的是这样吗？
      人们不断对科学技术进行深入 探索 和研究，随着信息化建设进入智能化时代。大街小巷任何地方都有电子产品的身影， 芯片作为这些电子产品的核心大脑，其地位非常高，相对应的制造和设计非常复杂，所需要的材料，工艺技术非常高端。 首当其冲，影响最大的要数半导体行业。
      我国进入半导体行业起步非常晚，建国初期因为经济底子薄弱，重点发展经济，当我们经济提高上来， 对半导体行业缺乏深入认识，认为造不如买，自己研发成本太高，导致整个半导体行业逐渐落后，错过发展期。 西方国家围堵我国 科技 的崛起和发展，他们通过签署《瓦森堡协定》，直接禁止核心高端技术出口，多方面原因导致国内企业发展所需的芯片不得不从国外进口。
       国内芯片 自给率不足6%，意味着超过94%的芯片需要从国外购买，我们现在需要努力提供自给率，一旦芯片进入被禁止，很多行业遭受影响， 华为和中兴事件遭受的危机就是最好的证明。 美国为了围堵绞杀华为，不顾自己脸面，去年5月，破例修改半导体行业规则，阻止华为崛起，禁止使用美国技术。 这一重拳下去直接导致华为芯片制造受阻，无法量产制造。 
       一直给华为量产芯片的台积电受美国政策影响，拒绝给华为生产芯片 。华为芯片无法正常供货，导致华为手机业务从世界第一宝座直接跌出。海外市场和国内市场由于缺芯导致无法量产，市场份额直接下滑，据相关统计：国内市场从之前的44%降至15%，国外市场从去年19%暴跌仅剩4%。
      美国不仅从芯片打压华为，在5G通讯领域也是重重围堵。我们知道华为对5G贡献非常大，对5G标准的贡献超过全球任何一家公司。 华为不单在通信、手机等方面取得重大成果，在芯片设计、操作系统、人工智能、自动驾驶、云计算、服务器等方面都具有很高的成就。 
      自2019年美国，将华为列入实体名单，不顾盟友反对禁止美企与盟友同华为合作，这种打压反而让华为变得强大，推出自己的手机操作系统，使用自己研发的海思麒麟芯片。 美国打压没有获得太大利益，使用芯片杀威棒进行卡脖子。 芯片一旦受到影响，波及众多行业，高端手机首当其冲，导致国外和国内市场手机被苹果、三星获得最大收益。
      光量子芯片真的能解决芯片问题吗？光量子芯片与传统的芯片电子区别很大，光量子通过利用光源能力和形态进行控制，随着物联网时代带来要求的数据处理速度更快，随着传统工艺瓶颈影响根本无法满足需求，或许 光量子芯片能成为物联网最佳选择。 
      科研人员在光量子研发过程付出非常大努力， 光量子芯片目前只是该领域实现技术突破，只要等到真正大规模量产应用，才能获得芯片领域话语权 ，受芯片打压的行业，才能真正站起来。 只有我们不断加强自身芯片研发投入，相信国内芯片曙光定会来临。 
      国内芯片大厂都投入大量资源研发芯片难题，国内芯片14nm和28nm都在大规模量产，作为高端芯片，很多人认为只要引进EUV光刻机就能解决， 如果你知道ASML公司的EUV光刻机元器件超过10万件，来自36个国家1500多个企业，唯独没有一个配件来自我国企业，并且每个元器件都是业界高端水平。 
       对国人来说，我们要认识自己跟国外技术差距有多大，不是突破一些关键技术就能制造出来，也不是大家所想的弯道超车就能实现，需要投入大量资源，不断迭代完善，通过大量的试验经验获取到 。国内要想制造出EUV光刻机，需要足够强大的基础工业建设水平，需要漫长的技术沉淀积累才能建设起来。
       芯片卡脖子只是其中一项，很多领域都要卡脖子，我们要认识国内技术跟国外差距很大，这是常识，不是问题，要认清楚 ，不要被外界的浮躁和浮夸所影响，浮躁和浮夸就是瘟疫一样影响我们的 ， 我们要适应冷板凳，不要期望走捷径，走弯道超车，要学会总结别人的经验教训，弯道超车本身就是贬义词，你既然弯道超车获得成功，难到别人不知道弯道超车吗？ 所以芯片领域发展需要自己研发出来。 对此大家怎么看，欢迎大家留言讨论，了解更多内容，请大家关注我。