量子计算硬件发展——不同物理系统的交叉与碰撞

量子计算硬件发展——不同物理系统的交叉与碰撞 | CQCC专题论坛

2022 年 8 月 16 日 量子位

量子计算硬件的实现和性能提升是制约量子计算走向实用化的关键。超导、离子阱、中性原子、光子、量子点等不同物理体系各具优势。本次论坛邀请多位专家分别对不同物理体系进行介绍，并围绕未来量子计算硬件发展前沿和方向进行讨论。

大会介绍

首届CCF量子计算大会(The 1st CCF Quantum Computation Conference，CQCC 2022)将于2022年8月20-21日在“绿城”郑州召开。CCF量子计算专业组主任、中国科学院院士郭光灿教授担任大会主席。中国工程院院士陆军教授、中科院软件所应明生研究员、清华大学丘成桐数学中心丁津泰教授、信息工程大学单征教授、清华大学段路明教授、南京大学于扬教授和合肥本源量子计算科技有限责任公司副总裁赵勇杰将为大会作特邀报告，中国科学院郑建华院士等专家学者也将莅临参会。

论坛背景

量子计算近年来同时受到国内外政府、科学界、产业界等多方面的高度关注。而量子计算硬件的蓬勃发展直接导致了量子优势算法的验证并推动了多种量子计算实际应用的发展,标志着量子计算进入了一个全新的发展阶段。量子计算硬件发展的下一个关键是如何在保持和提升系统性能的前提下，解决系统扩展性的问题。不同物理体系实现量子计算硬件时的特点与优势各有不同，遇到的困难也不尽相同。本次论坛邀请了多位我国量子计算领域重量级权威学者，分别对超导、离子阱、中性原子、光子、量子点等不同物理体系进行前沿工作介绍，并对未来发展趋势和技术进行讨论，希望通过不同物理系统的交叉，碰撞出量子计算硬件发展的新火花。

时间地点及参会方式（会议号或直播链接）

时间地点

上半场：8月20日，14:00-18:00；郑州光华大酒店凯旋厅 & 在线
下半场：8月21日，14:00-18:00；郑州光华大酒店土星厅 & 在线

*注：（直播链接会前将发送至注册参会者邮箱）

论坛日程

上半场报告及嘉宾介绍

报告一

陈平形，国防科技大学教授、博士生导师，“量子信息机理与技术”湖南省重点实验室主任。长期从事量子信息基础理论、基于囚禁离子的量子模拟和量子计算研究，在国内外著名期刊发表SCI学术论文100余篇，出版学术著作3部。以第一完成人获湖南省自然科学一等奖1项，以主要完成人获军队和省部级科技奖励2项。中国通信学会量子通信委员会副主任委员、中国物理学会量子光学专业委员会委员、《量子光学学报》和《量子电子学报》编委。

报告题目：面向量子模拟的囚禁离子技术分析

报告摘要：为实现高精度和规模化的量子模拟，囚禁离子的噪声抑制、深度冷却和规模扩展是重要的技术难题。我们对离子所处的各种噪声作了深入的分析，并进行了有效的抑制，提出并验证了多离子深度冷却的方案，有效提高了比特操控精度。研制了基于微纳加工的离子芯片阱，并在芯片阱中实现了离子的输运、分离和合并，还研制了新一代高性能的芯片阱。一些有意义的量子模拟也在离子平台得到实现。

报告二

Kihwan Kim（金奇奂） received BS, MS, and Ph.D at the Department of Physics of Seoul National University. He did post-docs at the Innsbruck University and University of Maryland. He joined Tsinghua University in 2011 and is a full professor currently. After joining Tsinghua University, Prof. Kim has contacted experimental research for the trapped ion quantum computation. He has published over 70 SCI papers, which are cited more than 6,500 citations (data from Google Scholar 2022/07), which includes Nature, Nature Photonics, Nature Physics, Nature Communications, Physical Review X, Physical Review Letters, etc.

报告题目：Trapped-ion technology for the large-scale quantum computation.

报告摘要：In this talk, we discuss two directions of scaling up the trapped-ion system for quantum computation and quantum simulation. The first one is to use vibrational degrees of freedom in a linear chain of ions and the second one is to use internal degrees of freedom in the 2D crystals of ions. We also discuss the method to speed up the entangling gate operation, which is necessary for the quantum computation.

报告三

张颉颃，博士毕业于马里兰大学，曾在加拿大TRIUMF国家实验室从事放射性原子的激光冷却与精密光谱测量研究。博士后师从马里兰大学（现杜克大学）的Christopher Monroe教授研究基于离子阱系统的量子模拟，成功实现离散时间晶体，并研究经典计算机难以模拟的量子非平衡态相变，文章先后发表于自然杂志上。从2019年1月起张颉颃博士任纽约大学物理系助理教授，于2021年12月全职回国，就职于中国科学技术大学上海研究院。

报告题目：离子量子信息处理一些新进展：超越LD极限的冷却与非欧几何编码

报告摘要：离子阱是量子计算领先的平台之一。我将介绍一些离子阱量子信息处理的实验新进展：用一维铍离子实现超越Lamb-Dicke极限的基态冷却，并在等效高维度空间里实现量子比特编码，充分体现离子系统的全联通优势。高保真度操作与高联通性的结合会成为未来离子阱量子计算超越经典极限的关键。

报告四

林毅恒，中国科学技术大学物理学院近代物理系教授。研究工作主要围绕离子阱量子信息处理实验研究，涵盖量子门、新型量子纠缠、协同冷却、耗散量子体系等前沿课题。在量子信息处理方面发表多篇论文。

报告题目：多能级离子阱系统的量子模拟和量子信息处理

报告摘要：近年来，多级量子系统的量子调控和演示新应用方面取得了快速进展。我们通过束缚Be+离子，结合电子和核自旋，作为多个基态能级的实验平台。我们分离出三个能级来演示多能级相干保护，将量子状态相干时间提高一个数量级；我们还设计了三能级哈密顿量来模拟动量空间系统，并观察自旋张量诱导的三重简并点的拓扑相变。此外，我们演示了解析辅助的形状脉冲，以实现四能级系统的两个相邻跃迁之间的快速和完全控制，减轻了多级系统的频谱拥挤问题。我们希望这些实验将有助于进一步探索多级系统的量子应用。

报告五

王钊，南方科技大学量子科学与工程研究院助理研究员，博士毕业于中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室，主要从事基于离子阱体系的量子计算与可扩展量子芯片方面的研究。在Sci. Bull.和PRL等国内外期刊发表多篇SCI论文，申请国家及国际发明专利6项，获得国家及广东省自然科学青年、面上等基金资助，参与广东省重点领域研发计划。

报告题目：可扩展型芯片离子阱技术与进展

报告摘要：囚禁离子系统是目前最有希望实现通用量子计算的物理体系之一。已经利用少电极数量的宏观离子阱装置对物理特性与体系优势进行了一系列的探索与验证，并演示了数十比特的量子计算原型机。然而，如何进一步增加高保真度离子比特数量、提升系统稳定性和集成度的问题，严重制约着该体系的扩展与规模化。芯片型离子阱是当前解决本系统扩展性问题的一个重要方法。通过微加工技术，可以标准化地制备复杂、多数目的电极结构，还可以同时片上集成光、电、探测器等多种器件。本次报告中，我们将简要介绍离子阱芯片的发展趋势、技术难点及我们在离子阱芯片方面取得的一些进展。

报告六

张翔， 2016年在清华大学获博士学位，2019年至今任中国人民大学物理学系副教授。长期从事基于囚禁离子的量子实验研究，发表SCI论文20篇，其中第一或通讯作者发表于Nat. Comm.、PRL 4篇。入选首批国家“博士后创新人才支持计划”，主持国家自然科学基金青年项目、面上项目、重大研究计划培育项目，北京市自然科学基金重点研发项目课题等。

报告题目：基于囚禁离子的量子控制研究

报告摘要：当前高维体系的量子控制研究中存在着诸多亟待解决的问题。报告将介绍与分享我们为了实现完全可编程的多比特离子量子计算机，在量子控制研究方向所做的一些努力，包括模块化可搬运多离子实验平台的搭建，全数字集成化实验控制系统的设计与开发，新型量子态操控方案的设计、实现与应用等。我们还将量子控制的微观手段推广应用于量子场论、量子化学等前沿科研中，利用可控量子系统执行复杂的计算任务，展现出超越经典计算能力的潜力。

报告七

许鹏，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员。博士毕业于中科院武汉物理与数学研究所，工作期间曾到德国波恩大学开展短期合作研究。从事基于光镊中单原子和原子阵列的量子模拟和量子计算的工作，共发表Science、PRL、Nat. Commun. 等SCI论文三十余篇，作为项目负责人承担了国家重点研发计划等多个国家级项目。

报告题目：中性原子量子计算进展

报告摘要：报告将介绍我们团队围绕中性原子量子计算的一系列关键难题开展的研究，包括两原子量子受控非门的实现和保真度的提高、原子内外态的完全操控和相干时间的突破，以及无缺陷异核多原子阵列的实现等工作。最后，报告将结合目前国内外原子体系的最新进展，展望该体系在量子计算方向所面临的机遇和挑战。

下半场报告及嘉宾介绍

报告八

吴俊杰，博士，研究员、博士生导师，现任国防科技大学计算机学院量子信息研究所兼高性能计算国家重点实验室主任。中国计算机学会（CCF）杰出会员，CCF量子信息专业组常务委员，CCF体系结构专业委员会秘书长（2011-2019）、中国电子学会量子信息分会委员、全国量子计算与测量标准化技术委员会委员等。从事量子计算方向研究，主持研制成功银河鲲腾QW2020量子计算系统、QUANTA VQS16量子计算系统等，在量子霸权标准、光量子芯片等方面的研究成果多次登上科技日报等国内外科技媒体。在Science Advances、National Science Review、Physical Review Letters等发表论文，获湖南省自然科学一等奖等。

报告题目：Large-scale full-programmable quantum walk and its applications

报告摘要：量子计算是重要的后摩尔计算技术，有望带来革命性的算力提升。近年来，量子计算物理实现技术快速发展，在随机量子线路采样、高斯玻色采样等基准测试问题上，已经达到量子霸权的算力水平。在当前有噪声量子比特的基础上，如何发展出针对实用问题的专用量子计算，是国际上追求的研究目标之一。量子漫步（Quantum walk）可视为一种计算模型，能用于设计和开发量子算法。本报告将介绍我们在构建量子漫步光量子系统上的实践与探索。

报告九

许金时，中国科学技术大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事基于光与固态自旋系统的量子信息和量子物理的实验研究，已在Nature子刊、Science子刊、Physical Review Letters等学术期刊发表论文100余篇。曾获得全国百篇优秀博士学位论文奖，王大珩光学奖中青年科技人员光学奖，国家自然科学奖二等奖等奖项。现任中国光学学会光量子科学与技术专业委员会秘书长，中国激光杂志社青年编委、《光学学报》编委。

报告题目：面向高维多模式的光量子模拟

报告摘要：量子模拟是用一个可控的量子系统来模拟另一个复杂系统的性质和演化。线性光学系统能够有效地屏蔽环境对系统的影响，并且能够方便地实现高维多模式的编码和操作，是量子信息研究领域的重要体系。本报告将介绍我们基于线性光学系统实现光量子模拟的一些实验进展。我们发展光子多空间模式的编码和操作手段，模拟仲费米子零模的统计特性并研究其量子互文性质，展示了基于仲费米子零模的容错量子计算架构。另一方面，利用光子内在自由度构建的人工合成维度为研究高维系统性质提供了一个有效的手段。我们搭建轨道角动量简并光学腔束缚多个空间模式用以构建光学人工维度，并实现基于简并腔拓扑能谱性质的直接探测。

报告十

曹刚，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室教授、博士生导师。主要从事半导体量子计算与量子输运研究。在Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters、Science Bulletin等国内外期刊发表论文80余篇。获国家自然科学基金委优秀、面上及青年基金等资助；安徽省量子通信与量子计算机引导性项目课题负责人；作为学术骨干参加了国家重点研发计划、973计划等多个国家项目。获2018年度安徽省自然科学一等奖（2/5）。

报告题目：栅控半导体量子计算

报告摘要：半导体栅控量子点具有良好的可扩展、可集成特性，同时其制备过程与现代半导体工艺兼容，基于半导体栅控量子点的量子计算方案受到各界的重点关注，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等均已开始利用产线工艺参与半导体量子计算的研究。近年来，随着技术的进步和发展，半导体系统在量子门操控、比特扩展等方面取得系列突破。报告将围绕这一体系，介绍量子点基本原理，量子比特编码方式及操控、测量过程，简述半导体量子计算发展。最后报告还将对半导体量子计算未来的发展趋势做简要展望。

报告十一

相忠诚，2019年7月于北京航空航天大学获得理学博士学位（与中科院物理所联合培养博士）。博士后工作于中科院物理研究所，2021年入选中国科学院物理研究所引进人才中的“关键技术人才”。主要从事超导量子器件的设计、制备及应用研究。在超导量子电路的设计、制备等方面积累大量专业知识和经验。先后设计和制备出多种构型的高质量多比特量子芯片，包括一维（43比特），梯子型（30比特），可调耦合型样品等以及一款高增益，宽带宽的约瑟夫森参量放大器（JPA），其中量子比特（双结squid）的退相干时间可以达到 100 微秒的较好水平。设计、制备的具有不同功能的量子芯片参数稳定，为国内多家单位提供了满意的样品并已经成功利用这些器件进行了多项量子实验。

报告题目：量子芯片制备进展

报告摘要：近年，超导量子比特芯片的设计制备发展迅速，无论是比特的个数和芯片质量都得到很大的提高，物理所在超导量子计算方向具有多年的积累和深刻的理解，尤其是Transmon比特问世以来，我们先后设计和制备出多种构型的高质量多比特量子芯片，包括一维5比特芯片、10比特芯片，可调耦合型量子芯片，30比特梯子型芯片以及43比特芯片等以及一款高增益，宽带宽的约瑟夫森参量放大器（JPA），其中量子比特（双结squid）的退相干时间可以达到 100 微秒的较好水平。设计、制备的具有不同功能的量子芯片参数稳定，为国内多家单位提供了满意的样品并已经成功利用这些器件进行了多项量子实验。

讲者十二

燕飞，南方科技大学深圳量子科学与工程研究院副研究员。本科毕业于南京大学，博士毕业于麻省理工学院，长期从事超导量子计算实验方面的研究。主要研究兴趣有：量子芯片架构设计、量子操控、噪声与退相干、量子纠错等。

报告题目：超导量子信息处理器的可扩展性研究

报告摘要：Scalability of quantum information processing is a complex concept that involves both hardware and software performance, both width and depth of the quantum circuit, both long-term potential and near-term feasibility. In this talk, I will discuss how we think about building a scalable quantum processor with superconducting qubits, focusing on a novel architecture based on tunable coupler which enables fast, accurate quantum operations. Based on the same architecture, we also successfully implement a quantum version of AND logic which enables efficient circuit decomposition of complex operations.

讲者十三

钟有鹏，2013年获得浙江大学学士学位，2019年获得芝加哥大学普利兹克分子工程学院博士学位，师从Andrew N. Cleland教授。2019-2020年留在Cleland组继续从事博士后研究，于2020年11月加入南方科技大学量子科学与工程研究院，主要研究超导量子计算。2021年获得国家高层次人才海外青年项目和深圳市国家级领军人才支持。目前共发表SCI论文24篇，包括3篇Nature、Science；其中5篇一作，包括1篇Nature，1篇Nature Physics，1篇Nature Communications，2篇PRL。

报告题目：可扩展分布式超导量子计算

报告摘要：分布式量子计算通过多个量子芯片互联来扩展超导量子计算机，这种化整为零的方式能够大大降低集成化的难度，但是需要超低损耗的信道连接量子芯片以避免退相干。近期我们在该方向获得一些实验进展，我们通过一根铌钛超导同轴线把两个超导量子芯片连接起来，实现了低损耗的量子芯片互联和高保真度的芯片间量子态传输。在此基础上，我们在一个芯片上制备了3比特GHZ纠缠态，并通过串行的方式确定性地传输到另一个芯片。最后，我们成功制备了全局分布的6比特GHZ纠缠态。这些技术为构建可扩展分布式超导量子计算机奠定了基础。

论坛主席

王卫龙，博士，信息工程大学讲师。主要从事量子密码与量子计算方向的研究，在量子通信与量子密码、超导量子芯片设计等方面的研究成果在Physical Review Letters、New Journal of Physics、Laser Physics Letters等国内外期刊发表论文20余篇，作为学术骨干参加了国863计划、173计划、国家自然基金等多个科研项目的研究工作。

以上论坛在线参与（须注册）等具体安排，请关注大会官网。特邀报告和本论坛之外，首届CCF量子计算大会还设有9个覆盖软硬件、产业、教育等领域的专题论坛，并设有优秀论文/代表性工作分享环节。

目前大会筹备工作接近尾声，欢迎广大对量子计算感兴趣的计算、物理等领域学者莅临“绿城”郑州，参加首届CCF量子计算大会，交流学术、探讨合作，共同见证和推动我国量子计算事业的发展。