量子計(jì)算機(jī)和 CMOS 半導(dǎo)體的發(fā)展回顧與未來預(yù)測

隨著量子計(jì)算的出現(xiàn)，對外圍容錯(cuò)邏輯控制電路的需求達(dá)到了新的高度。在傳統(tǒng)計(jì)算中，信息的單位是“1”或“0”。在量子計(jì)算機(jī)中，信息單位是一個(gè)量子比特，可以描繪為“0”、“1”或兩個(gè)值的疊加（稱為“疊加態(tài)”）。

由于其高性能和低功耗，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的控制電路都基于 CMOS（半導(dǎo)體）。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“1”和“0”可以使用在室溫下運(yùn)行的 CMOS 芯片進(jìn)行操控、存儲和輕松讀取。如今，大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)都在低溫下運(yùn)行，以確保量子比特盡可能長時(shí)間地保持一致（處于疊加態(tài)）。在量子計(jì)算機(jī)中，一致的時(shí)間通常非常短（納秒到毫秒），因此需要更多能夠執(zhí)行高速、容錯(cuò)操控的控制電路。如果傳統(tǒng)的 CMOS 控制電路可以在低溫下運(yùn)行，則可以滿足這一要求。

A.K. Jonscher 曾在《Proceedings of the IEEE》期刊上發(fā)表過題為“低溫下的半導(dǎo)體”的文章，其中首次嘗試描述低溫下的半導(dǎo)體材料[1]。他的兩個(gè)基本結(jié)論是：1) 由于“在這樣的極端溫度下進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)沒有切實(shí)的技術(shù)理由”，半導(dǎo)體器件在當(dāng)時(shí)沒有重要的低溫應(yīng)用；2) “半導(dǎo)體材料在低溫下的特性與我們熟悉的較高溫度下特性有顯著不同，因此可以合理地預(yù)期，通過在這個(gè)方向上持續(xù)進(jìn)行研究和開發(fā)，將會出現(xiàn)更多的器件應(yīng)用”。幾年后，IBM 開始對低溫下的半導(dǎo)體器件操控產(chǎn)生興趣[2-3]并得出結(jié)論：MOSFET 半導(dǎo)體器件在低溫下表現(xiàn)出更高的性能。低溫操控雖有優(yōu)勢，但按比例縮小冷卻裝置仍然是使用基于半導(dǎo)體的控制電路的障礙。

進(jìn)入量子力學(xué)。1959 年，Richard Feynman 向科學(xué)界提出挑戰(zhàn)，要求在信息處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用量子力學(xué)。他設(shè)想了涉及量子化能級和/或量子化“自旋”（量子粒子的角動量）相互作用的新信息系統(tǒng)和功能。這在1980 年代得到實(shí)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)證明了基于能量的量子力學(xué)方程可以代表通用的圖靈（計(jì)算）機(jī)[4]。1994 年的研究表明，（“在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)”）量子計(jì)算機(jī)可以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快地分解整數(shù)[5]。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對構(gòu)建量子計(jì)算系統(tǒng)的持續(xù)興趣，直到今天在眾多商業(yè)、研究和學(xué)術(shù)組織中還持續(xù)存在。

即使人們對構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)有濃厚的興趣，但事實(shí)是，這種計(jì)算機(jī)的成功運(yùn)行目前仍然需要低溫環(huán)境，量子邏輯控制電路也需要在低溫下工作才能高效運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，我們看到人們對基于 CMOS 的電路的低溫性能重新產(chǎn)生了興趣。

量子計(jì)算機(jī)不需要最先進(jìn)的 CMOS 電路，但 CMOS 器件在低溫和室溫下的運(yùn)行方式不同。最近研究人員分別在室溫和 4.2 開爾文溫度下，在 40nm 和 160nm 為主體的 CMOS 器件上測量了 CMOS 晶體管性能（以及相關(guān)的電流-電壓特性）（如圖1所示）。由于在這些溫度下硅中的遷移率提升，低溫下的驅(qū)動電流也將增加。不幸的是，基底凍結(jié)等其他因素會限制在這些低溫下驅(qū)動電流的增加。

圖1: 在 160nm（上）和 40nm（下）CMOS 中制造的 nMOS 晶體管測量電流-電壓特性。點(diǎn)狀曲線顯示室溫操控，實(shí)線顯示液氦操控，短劃虛線顯示擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 Spice 兼容模型[6]

量子計(jì)算機(jī)的控制電路目前在室溫下運(yùn)行。如前所述，由于在較高溫度下讀取量子比特的“狀態(tài)”很敏感，這可能成為一個(gè)問題。在與量子計(jì)算機(jī)一樣的低溫冷凍柜中，在低溫或接近低溫的情況下運(yùn)行 CMOS 電路，可以部分緩解這一挑戰(zhàn)。這種集成可以減少延遲并提高整體系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。盡管存在一些二階問題，但低溫下的 CMOS 晶體管可以執(zhí)行與量子計(jì)算機(jī)一起工作所需的各種功能。這些功能包括以 I/V 轉(zhuǎn)換器、低通濾波器以及模擬信號/數(shù)字信號間的相互轉(zhuǎn)換等的執(zhí)的能力（如圖2所示）。

圖2: 以虛線圓圈為中心的硅自旋量子比特、控制和讀出信號（M、P、R、T 和 Q），以及量子點(diǎn)接觸和配套電路的簡化示意圖。電壓源極在室溫下作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器[6]?

為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的預(yù)期性能，需要可以在極低溫下運(yùn)行的新一代深亞微米 CMOS 電路[6]。通過將這一想法推演為其合乎邏輯的結(jié)果，最終得到一個(gè)量子集成電路 (QIC)，其中量子比特陣列與讀取量子比特狀態(tài)所需的 CMOS 電子器件集成在同一芯片上。這種集成顯然是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、可靠性和高性能兼?zhèn)涞牧孔佑?jì)算的最終目標(biāo)。

在未來的應(yīng)用中，與量子比特之間的光通信可能也是必要的。在這種情況下，集成 CMOS電路還需要包括微米和納米光學(xué)結(jié)構(gòu)，例如光導(dǎo)和干涉儀。這些類型的光學(xué)功能已在室溫 CMOS 器件上成功實(shí)現(xiàn)，在未來的量子計(jì)算應(yīng)用中可能也需要在低溫下實(shí)現(xiàn)同等級別的光通信功能。