科学研究 - 【量子技术现在时】（二）超导量子，利用折纸结构的新型电路实现集成化

【OVERVIEW】对于量子计算机的实现目前已提出了几种方法，其中取得进展最多最的是超导方式。与现在的计算机一样，量子计算机也需要集成量子比特，但不受环境温度和磁性等影响的输入输出线路一直是需要解决的大问题。东京理科大学研究生院教授蔡兆申提出了一种新电路，在平面上排列量子芯片配线后进行折叠，利用折纸构造实现集成化，为量子芯片的封装作出了重大贡献。

蔡兆申
东京理科大学研究生院理学研究科教授
2016～2021年度CREST研究项目负责人

完成世界首次超导量子比特实验
发现电子的自由往来

2019年，美国谷歌公司宣布量子计算机仅花费200秒就解决了超级计算机需要1万年才能演算出来的问题，由此对量子计算机的关注度迅速高涨。作为CREST“利用超导人造原子的光子实现量子信息处理”课题的项目负责人，东京理科大学研究生院蔡兆申教授对这种量子信息处理的特点是这样解释的:“与我们现在使用的传统计算机相比，量子计算机的优势在于处理速更快，能够同时推导出多种可能性，处理更多的信息，解决复杂得多的问题。”

这一优势源于信息的处理方式。传统计算机将信息变为“0或1”的状态，而量子计算机则将信息变为0和1的叠加来处理。传统计算机一次只能处理一条信息，而量子计算机可以同时处理多条信息，实现并行计算。蔡兆申教授是众多被量子计算的魅力所吸引的人之一。

蔡教授研究量子比特的契机是参与CREST“金属细小通道结合系统的物理和元件应用”（1996-2001）的项目，研究当金属冷却至接近绝对零度（-273.15°C）时电阻降至零的超导条件下的电子行为的时候。“就像水龙头滴水珠一样，当我缩小电子通道的直径，让电子一个一个通过时，出现了一种量子态忽现忽隐的现象。这太有意思了！从那时起，我就开始投入了量子比特的研究。”

1999年，蔡教授与当时在日本电气基础研究所工作的中村泰信（现为东京大学先进科学技术研究中心教授）一起，全球首次成功完成了超导量子比特实验（图1）。当两个处于超导状态的电极相互靠近时，会出现结合部分的电子在两个电极之间自由往来的量子态，这种现象被称为“约瑟夫森效应”。此外，两人还证实了，可以通过在外部发射微波脉冲控制和读取量子态。

图1.1999年开发的超导量子比特的扫描电子显微镜（SEM）图像和电路图。
世界上首个超导量子比特应用了传统半导体制造技术，由超导体-绝缘体-超导体（SIS）的约瑟夫森结构成。

“在此之前，量子行为仅限于原子和分子的世界，像金属电极这样大的物质能够产生量子行为是超越常识的，我们将其称之为‘宏观量子相干态’”。因为蔡教授研究团队开发的超导量子比特是一种易于处理且易于集成的固态元件，所以世界各地的研究人员之后也相继开始开发超导电路方式量子计算机。当时，超导量子比特并不稳定，维持量子态的相干时间为纳秒（纳秒是十亿分之一秒）级别，而现在已经达到能够实际应用的毫秒级别，前面提到的谷歌的成果也与其有关联。

转换思路诞生的新电路
10量子比特的验证取得成功

目前，量子计算机大致可分为两类：一种是专门用于组合优化问题的量子退火方法，另一种是像传统计算机使用AND、OR和NOT等门电路那样创建量子计算电路来解决问题的量子门方法。蔡教授的团队正在研究的超导方法属于量子门方式中的一种，除此之外，还有在常温下工作的光量子和离子阱等方法。退火法在商业化方面处于领先地位，而量子门方式在通用性方面具有优势，对于实用化的期待也很高。

超导电路方式存在的一个大问题就是量子比特的集成化。迄今为止开发出来的基于超导电路的量子计算机停留在大约100个量子比特水平。考虑到现在的计算机的一个CPU芯片就集成有数以亿计的单元，所以量子计算机的集成水平仍处于初期阶段。

而且，作为量子比特的特性，在受到环境温度和磁场等影响时容易出错。因此，将多个量子比特集成在一起，需要在计算期间边随时纠错边计算。所以，至少需要集成大约1,000个量子比特才能完成高精度计算。此时需要解决的问题就是布线。

在超导电路中，量子比特被配置成平面晶格状，需要布线来向各个量子比特发送控制信号和读取计算结果的信号。100个量子比特为10×10的晶格，此时尚可以从垂直方向布线来对应，但是，如果是900个量子比特，那晶格就会变成30×30，而若是1万量子比特，则变为100×100。蔡教授向我们说明了面临的课题和解决问题的思路，即，“外缘部分的量子比特还容易布线，而越接近中心位置的量子比特其布线不仅愈发困难，而且受布线的影响还容易出错。因此，我们转换了思路，思考出了一种新的布线技术。”

具体来说就是将量子比特的平面晶格像折纸或者屏风一样折叠起来，让所有的量子比特都处于外侧（图2）。这样，不仅更容易布线，而且还会减少布线间的信号串线和损耗，从而提高了逻辑量子比特的可靠性。最大的难题是在折叠时，一部分连接量子比特的布线会出现交叉，但我们通过微波装置等采用局部立体构造的跨线技术解决了这一难题。