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扩大量子芯片

麻省理工学院的研究人员开发了一种制造和整合“人造原子”的方法,这种人造原子是由极薄的金刚石薄片上的原子级缺陷产生的,利用光子电路,可以制造出同类中最大的量子芯片。

麻省理工学院电子工程和计算机科学系副教授Dirk Englund说,这一成就标志着可扩展量子处理器领域的“一个转折点”。他和他的同事指出,建造量子计算机将需要数以百万计的量子处理器,而新的研究证明了一种可行的方式来扩大处理器的产量。

与使用0和1表示的位来处理和存储信息的传统计算机不同,量子计算机使用量子位(即量子位)来操作,量子位可以同时表示0、1或两者。这种奇怪的特性允许量子计算机同时进行多种计算,解决经典计算机难以解决的问题。

新芯片中的量子位是用金刚石的缺陷制成的人造原子,通过可见光和微波的刺激,可以释放出携带量子信息的光子。英格伦和他的团队在《自然》杂志上描述了这一过程,它是一种混合的方法,在这种方法中,精心挑选的包含多个钻石量子位元的“量子微晶片”被放置在一个氮化铝光子集成电路上。

Englund说:“在过去20年的量子工程中,制造这样的人造量子位系统,其数量可与集成电子学相媲美,这是一个终极愿景。”“尽管在这一非常活跃的研究领域已经取得了显著进展,但制造和材料复杂性迄今为止只产生了2到3个发射子每个光子系统。”

利用他们的混合方法,Englund和同事能够建立一个128量子比特的系统——迄今为止最大的集成人工原子光子学芯片。

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人造原子在chiplets由彩色中心钻石,钻石的碳晶格的缺陷,邻近的碳原子缺失,其空间或填补不同的元素或留下空缺。在麻省理工学院的芯片中,取代的元素是锗和硅。每个中心作为一个类似原子的发射器,其自旋状态可以形成一个量子位元。人造原子释放出有颜色的光粒子或光子,携带由量子位元表示的量子信息。

钻石色中心可以制造出很好的固态量子位元,但是“这个平台的瓶颈实际上是构建一个可以扩展到成千上万的量子位元的系统和设备架构,”Wan解释说。“人造原子在固体晶体中,不需要的污染会影响重要的量子特性,比如相干时间。此外,晶体内部的变化会导致量子位元彼此不同,这使得衡量这些系统变得困难。”

研究人员决定采用模块化和混合的方法,而不是试图完全用钻石制造一个大型量子芯片。“我们使用半导体制造技术来制造这些小的金刚石chiplets,我们只选择最高质量的量子位模组,”万说。“然后我们把这些小芯片一块一块地集成到另一块芯片上,再把这些小芯片‘连接’到一个更大的设备中。”

集成发生在光子集成电路上,光子集成电路类似于电子集成电路,但使用光子而不是电子来携带信息。光子学提供了在电路模块之间以低损耗路由和切换光子的底层架构。电路平台是氮化铝,而不是传统的硅的一些集成电路。

利用这种光子电路和金刚石芯片的混合方法,研究人员能够在一个平台上连接128个量子位元。Wan和他的同事说,量子位稳定且寿命长,它们的发射可以在电路中进行调谐,从而产生光谱上无法分辨的光子。

一个模块化的方法

虽然该平台提供了一个可扩展的过程来生产人工原子光子学芯片,但下一步将是“打开”,也就是说,测试其处理技能。

“这是一个概念的证明,固态量子比特发射器是非常可扩展的量子技术,”万说。“为了处理量子信息,下一步将是控制这些大量的量子位元,并诱导它们之间的相互作用。”

这种芯片设计中的量子位元不一定非得是这些特殊的钻石色中心。其他芯片设计者可能会选择其他类型的钻石色中心,其他半导体晶体中的原子缺陷,如碳化硅,某些半导体量子点,或晶体中的稀土离子。“因为集成技术是混合和模块化的,我们可以选择最适合每个组件的材料,而不是只依赖于一种材料的自然属性,因此我们可以将不同材料的最佳属性组合到一个系统中,”卢说。

研究人员说,找到一种方法来自动化这一过程,并进一步演示与诸如调制器和探测器等光电元件的集成,这对于构建模块化量子计算机和长距离传输量子位的多通道量子中继器所必需的更大芯片是必要的。

《自然》杂志论文的其他作者包括麻省理工学院研究人员Noel H. Wan、Lu Tsung-Ju、Kevin C. Chen、Michael P. Walsh、Matthew E. Trusheim、Lorenzo De Santis、Eric A. Bersin、Isaac B. Harris、Sara L. Mouradian和Ian R. Christen;与桑迪亚国家实验室的Edward S. Bielejec合作。

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