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作者：栾春阳（清华大学物理系）
监制：中国科普博览
如果要问，科幻电影《流浪地球2》中哪一个角色最能代表大家对未来科技的无限想象，那非得是最强量子计算机MOSS不可。作为电影中的智能担当，MOSS凭借着自身超强的运算能力，为人类应对宇宙中的各种危机提供了强大的支持。
MOSS示意图
（图片来源：Steam 创意工坊:流浪地球2-MOSS ）
尽管我们现实世界中的科技水平有限，距离真正创造出电影中的“MOSS”还有很长的一段路要走。但是，在这条通往未来科技的量子赛道上，无数的科学家们可谓是“八仙过海，各显神通”，正在积极探索未来量子计算机不同的实现方案。
而在众多的候选方案中，基于“人造的量子比特”发展而来的量子计算机具有许多独有的优势，从而在量子计算的赛道上异军突起，并且迅速成长为可以独当一面的“第二军团”。人造的量子比特到底是何方神圣？它在实现量子计算的方案中又扮演了怎样的角色？接下来，我们将逐步揭开它的神秘面纱。
人造的量子比特到底是什么？
在正式介绍人造的量子比特之前，不妨让我们再次回忆一下什么是量子比特吧。
不同于经典计算机中的经典比特，量子比特能够同时处于|0⟩态和|1⟩态的叠加状态。也就是说，量子比特能够以一定的概率P0表示|0⟩态，同时以一定的概率P1表示|1⟩态，并且始终保持概率P0+P1等于100%。因此，凭借着量子比特这种奇妙的叠加性，量子计算机能够对某些特定的算法问题进行|0⟩/|1⟩叠加态的并行运算，从而获取远超经典计算机的超强算力。
理论上，当量子比特的数目达到N时，量子计算机将能够同时完成2的N次方次运算。例如，当N=50时，量子计算机将可以同时处理大约一百万亿个比特的数据，而如果用存储容量为512G比特的硬盘来装载这么庞大的数据量，需要高达256块才可以完成。
可视化的量子比特
（图片来源： Astibuag/Shutterstock Qubit）
而要在现实世界中构造一台真正的量子计算机，并非一件容易的事情。我们面临的首要问题就是，如何选取合适的物理载体构造出量子比特，从而实现这种奇妙的|0⟩态和|1⟩态的叠加。
在之前的文章中，我们已经详细介绍了量子计算赛道上的“第一军团”——大自然中本就存在的某些粒子。由于这些粒子内部通常存在两个稳定的能量状态（能级），并且能够分别编码成为|0⟩态和|1⟩态，从而保证构造出的量子比特可以稳定地表示|0⟩态和|1⟩态的叠加。
虽然这种天然的方案具有简单和稳定的优势，但也受限于粒子本身的物理特性，科学家们难以在实验中对其进行灵活的调控。
量子计算的概念
（图片来源：veer图库）
于是，科学家们开始思考能否基于现今高度成熟的半导体工艺技术,发展出更加人为可控的人造的量子比特,从而为量子计算的最终实现提供更多的可能性。
与天然的粒子类似，人造的量子比特通常也由两个不同的能级组成，其中能量较低的能级为E1，能量较高的能级为E2，这样两个能级就可以分别编码成为|0⟩态和|1⟩态。当人为地施加某些电磁辐射时，E1和E2之间就会发生概率性的跃迁，人造的量子比特就具备了|0⟩态和|1⟩态的叠加性。
目前，大多数人造的量子比特都是基于现有的成熟半导体工艺技术发展而来的，通常包括：极低温度下超导状态的量子电路、纳米尺度下半导体中的电子状态，以及金刚石氮-空位（NV）色心等。而根据选择的半导体工艺技术不同，量子计算机可以具体分为三种类型，即超导量子计算，量子点量子计算以及金刚石量子计算。
可以说，人造的量子比特不仅能够实现大规模的制备，还具有灵活的可操作性，具有相当多的优势。接下来，我们将会请这支队伍中的不同成员依次登场。
超导量子计算——当超导遇到量子
相信大家对于超导现象一定不会陌生，当某些特殊的材料在低于某一临界温度时，材料的电阻就会突然降低至零，从而可以无损地传输电流，而这种零电阻的状态就被称为超导现象。
超导现象
（图片来源：veer图库）
除了零电阻的特性之外，超导材料还有另外一种奇妙的特性——完全抗磁性。当超导材料置于外界磁场中时，其内部就会形成一个等值反向的磁场，从而抵消外界磁场的作用，使得超导材料的内部总磁场始终保持为零的状态。超导材料的这种奇妙特性在许多应用中有着重要的价值，例如，通过利用其抗磁性来克服重力，从而制造出磁悬浮列车等。
上海磁悬浮列车照片摄影图片
（图片来源：veer图库）
那么，当我们熟悉的超导现象遇到量子，又会发生什么神奇的事情呢？
想象一下，如果将一层薄薄的绝缘层（大约为几个纳米）插入到两块超导材料之间，从而构成“超导材料—绝缘层—超导材料”的特殊结构，那么，左端超导材料中的电流还能顺利地传输到右端的超导材料中吗？在我们的直观感觉中，电流会受到中间绝缘层的“无情”阻碍，自然是无法传输到另一侧的。
然而科学家们却发现，超导材料中的电子并不是各自独立运动的，它们会表现出一种非经典的神奇特性——电子之间两两配对，以一种电子对的整体形式进行运动。这种通过某种方式两两耦合的电子对，由物理学家Leon Cooper于1956年首次发现，因此这种电子对也被称为“库珀电子对”。
Leon Cooper
（图片来源：维基百科）
更神奇的是，当绝缘层足够薄（大约只有1-2纳米）的时候，超导材料中的“库珀电子对”竟然有一定的概率可以穿过中间的绝缘层，从而传输到另一侧的超导材料中，这种神奇的现象也被称为“量子隧穿”。
这时候，电路的总能量不再是连续变化的，而是存在不同的能量状态，也就是分立的能级。除此之外，由于“超导材料—绝缘层—超导材料”结构导致的特殊电流关系，整个电路的能级之间的间隔也不再是相等的，而是存在非线性的关系。
如此一来，我们就可以将能量最低的两个能级与其他能级区别开来，并且将能量最低的能级编码成为|0⟩态，能量较高的能级编码成为|1⟩态。也就是说，我们可以通过调控超导电路中的电流状态，人为可控地表示出|0⟩态和|1⟩态，从而构造出我们最初的目标——可以同时表示|0⟩态和|1⟩态的量子比特。
“超导量子比特”的示意图
（图片来源：参考文献[1]）
这种基于超导电路的量子比特，也叫作“超导量子比特”。通常情况下，超导量子比特之间的相互作用可以使用微波脉冲进行精确控制，从而实现量子计算中所需的量子门操作以及逻辑运算。
作为量子计算“第二军团”的优秀代表，超导量子计算方案具有一些十分独特的优势。
首先，超导量子方案与现今成熟的半导体工艺相兼容，这就可以让处于学术界的科学家与工业界的科技企业实现“梦幻联动”，从而极大提升自身的工艺迭代速度；其次，超导量子方案本身是基于可以人为调控的超导电路，这就使其具有灵活的可操纵性，从而被应用于更加丰富的场景；最后，超导量子计算方案可以采用成熟的半导体工艺进行大规模的制备，因此能够轻松实现超大规模的量子比特数目。
“祖冲之二号”量子处理器
（图片来源：中国科学技术大学）
早在2019年，谷歌公司的量子计算团队就发布了具有53个超导量子比特的量子计算机“Sycamore”，并在2023年将其量子比特数目进一步提升至72个。而在2022年底，IBM也正式发布了规模最大的超导量子计算机“Osprey”，并且达到惊人的433个量子比特。
与此同时，中国科学家们也成功研制出了属于自己的超导量子计算机。在2021年，中国科学技术大学团队研制出了具有62个量子比特的超导量子计算机“祖冲之号”，随后进一步升级到了“祖冲之二号”，可以实现对66个超导量子比特的操纵。
量子点量子计算——微观世界中神奇的电子状态
与超导量子计算方案类似，量子点量子计算具有与现今成熟的半导体工艺相兼容的特点。除此之外，这种方案中的量子比特还更加稳定，能够在外界的干扰下较好地保持|0⟩/|1⟩叠加态的特性。因此，量子点量子计算方案引起了科学界的广泛关注，并且有望成为实现未来通用量子计算机的有力候选者。
需要注意的是，这里的“量子点”并非一个真实的粒子，而是在半导体材料表面人为制造出的一种三维限制的结构。通常情况下，我们在半导体材料表面采用微纳加工技术制造出金属栅极（微小电极），并且通过栅极在半导体材料表面施加电压，形成三维的电势阱——量子点。
这样一来，半导体材料中几十到几百个电子或者空穴（带正电的电子）就会被束缚到量子点中，而这些被束缚的电子或者空穴的微观状态在经过特定的调控后，就会被构造出量子比特，从而参与到量子计算中。
半导体材料中的“电子”与“空穴”
（图片来源：Energy Education）
相信大家对于电子比较熟悉，而对于“空穴”这一概念比较陌生，可以这样简单理解“空穴”：半导体材料中的正负电荷数目是相等的，从而在整体上显示电中性。然而在经过特殊的处理后，半导体材料内部的电子不再均匀分布，在某些局部区域，电子的数目相对较少，这看起来像在一团电子中出现了空洞，从而表现出“负负得正”的正电情况。
也就是说，“空穴”是由于电子的局部空缺而形成的正电情况，它本身也只是一种形象化的体现，而非真实的粒子。为了更加方便地理解，接下来我们只考虑半导体材料中电子的微观状态。
由于硅（Si）基材料与现今半导体工艺相兼容，硅基半导体被视为实现量子点量子计算的良好材料。通常情况下，硅基材料在经过特殊处理后会形成两种材料复合的“异质结”，例如，硅/硅锗(Si/SiGe) 异质结或者硅/二氧化硅(Si/SiO2) 异质结。如此一来，当在异质结处施加电压时，在两种材料界面处自由移动的电子就会被束缚起来，形成电子的孤岛，即硅基半导体量子点。
麻省理工学院生产的新量子点
（图片来源：参考文献[2]）
在硅基半导体量子点中，原本自由移动的电子在三个维度上都束缚在很小的区域中，一般只有几个纳米的尺度。此时，电子开始表现出奇妙的特性——电子的能量开始变得不再连续，并且表现出能量分立的量子化特性。这样的话，我们就可以将量子点中的电子能量较低的态编码成为|0⟩态，而能量较高的态编码成为|1⟩态，从而构造出基于硅基半导体量子点的量子比特。
为了实现对量子比特的灵活操纵，我们可以通过异质结上的金属栅极来调节施加的电压，从而限制和操纵量子点内部的电子状态。除此之外，实验上还可以采用外加磁场和微波等操纵，进一步实现不同量子比特之间的纠缠门操作。
硅基量子点计算的超快运算示意图
（图片来源：参考文献3）
目前，量子点量子计算方案在材料制备工艺以及量子比特的操纵技术等方面均取得了良好的进展，有望成为量子计算赛道上的有力候选者。
发出彩虹光带的量子点显示技术
（图片来源：参考文献4）
与超导量子计算方案类似，量子点体系具有与现今半导体工艺完全兼容的优点，现在甚至可以以单个原子的精度来设计量子点。除此之外，量子点技术已经被广泛应用于太阳能电池、生物成像、发光二极管、半导体激光器等领域，展现出广阔的商业价值和巨大的应用前景。
金刚石量子计算：不纯净的金刚石竟然也可以这样用？
在众多珠宝中，纯净无色的金刚石以钻石之名，见证了很多新人的难忘瞬间。因此，作为由碳原子组成的单质晶体，金刚石的商业价值与自身的纯度和切割工艺息息相关。而当纯净的金刚石存在内部的缺陷时，也会因为缺陷的不同而显现出不同的光泽，这就是彩色钻石。
彩色钻石
（图片来源：A.H. Fisher Diamonds）
在金刚石晶体的众多缺陷中，存在一种特殊的缺陷，叫作“NV色心”,这里的字母N是氮原子的简写，而V则表示碳原子的空位。也就是说，在只由碳原子组成的纯净金刚石中，如果两个相邻原子缺失，并且有一个氮原子恰好填补空位，另一个保持空位，就会形成一种稳定的氮空位色心结构（nitrogen vacancy），简称“NV色心”。
氮空位色心结构
（图片来源：参考文献5）
可能有小伙伴会好奇，金刚石晶体的NV色心和我们想实现的量子计算有什么关系呢？其实，如果我们能够在金刚石晶体的NV色心中找到两种不同的能量状态，并且将较高的能量状态编码成为|1⟩态，而较低的能量状态编码成为|0⟩态，如此一来，我们就可以构造出量子计算中的基本运算单元——量子比特。
但是，在金刚石晶体的NV色心中编码量子比特的过程并没有那么容易，它还需要我们的另外一位老朋友——电子的鼎力相助。
每个碳原子最外层有4个电子，相邻的碳原子可以共享彼此的最外层电子，从而显示出电中性。但氮原子与碳原子不同，它的最外层有5个电子。
碳原子和氮原子最外层电子数分别是4和5
（图片来源：Wikipedia）
因此，对于金刚石晶体的NV色心而言，它本身缺失两个相邻的碳原子，又额外填补了一个氮原子，也就是说，此时NV色心一共缺少了4×2-5=3个电子。如果恰好此时NV色心结构的附近有额外的一个电子被捕获，那么整个NV色心结构只剩下2个未配对的电子。
如此一来，神奇的事情发生了！
NV色心结构中剩下的2个未配对的电子，一共存在三种不同的电子状态，分别对应：两个电子同时自旋向上（+1态），两个电子同时自旋向下（-1态），以及电子各自自旋向上/下（0态）。(电子不同的自旋指向代表不同的状态,不熟悉的同学可以忽略“自旋”这一概念，请参看下图直观感受一下不同的电子状态。)
金刚石NV色心结构中的电子状态和量子比特的编码
（图片来源：作者自绘）
对于2个电子的情况而言，+1态和-1态的能量很接近，可以共同作为能量较高的激发态（即量子比特的|1⟩态），而0态则是低能量的基态（即量子比特的|0⟩态），从而构造出相应的量子比特。
当使用绿色的激光照射NV色心时，处于|1⟩的量子态会比处于|1⟩的量子态发出更强的红色荧光。此外，当施加特定的微波驱动时，NV色心中的|0⟩量子态会转变成为|1⟩的量子态，这样的话，原本红色的荧光将变暗。
通过这种激光/微波的复合方式，我们就可以实现对NV色心的自旋态的探测，从而读取量子比特的状态，而这种探测方式也被称为“光学探测磁共振技术”。
对金刚石NV色心结构进行荧光探测
（图片来源：weizmann institute of science）
基于金刚石NV色心的量子计算方案早在1997年就被提出来了，在随后的二十多年快速发展并且走向商业化。在2006年，科学家开始将氮元素人为地注入高纯金刚石晶体中，制备出人造的金刚石NV色心。
用红外激光（1350 nm）激发金刚石NV色心的非线性发射光谱
（图片来源：phys.org）
由于金刚石NV色心的结构十分稳定，并且通常只需要一个绿光源、人造的金刚石NV色心、微波信号源和光电探测器就能成功构造一台简易的金刚石NV量子设备。因此，金刚石NV量子设备能够被广泛地应用到实验室甚至课堂的演示实验中，从而极大地促进了量子力学与量子计算的实验教学。
利用金刚石NV色心实现量子传感
（图片来源：phys.org）
目前，基于金刚石NV色心的单量子比特的准确率已经达到了99.995%，从而在量子计算赛道上崭露头角。同时，也正是金刚石NV色心方案具有无需低温真空环境，以及设备简易集成的突出优点，已经成为目前最具有商业价值的物理方案之一。
结语
综上所述，凭借着现今成熟的半导体工艺技术，科学家们已经可以根据需要，人为地制造出不同的量子比特，从而实现量子计算和量子传感等。得益于半导体产业的快速发展，人造的量子比特方案发展十分迅速，已经在量子计算的赛道上和天然的二能级系统并驾齐驱，成为可以独当一面的“第二军团”。
无论是超导量子计算，量子点还是金刚石量子计算方案，它们都具有天然系统所不具有的灵活操纵性和技术迭代性。而每种候选方案各有优劣：超导量子方案虽然操纵灵活、扩展性强，却容易受到环境的干扰；量子点方案虽然更加稳定，但是扩展性仍然受到制约；金刚石量子方案虽然还未实现大规模的量子比特数目，却无需低温和真空的严苛环境，从而使得设备的运行成本几乎为零。
现在，量子计算赛道上的“第一军团”和“第二军团”已经悉数亮相，那么，最后神秘出场的又是哪位嘉宾呢？请允许笔者在这卖个关子，让我们在下回书中见分晓吧！
参考文献：
[1] Lockheed Martin buys first D-Wave quantum computing system.
[2] Dramatic improvements in quantum-dot performance.
[3] Super fast computers from quantum dots?
[4] What the Blank Makes Quantum Dots Blink?
[5] Gibney, E. Quantum physics: Flawed to perfection. Nature 505, 472–474 (2014).