2020年7月31日
美国陆军资助的一个项目标志着可扩展量子处理器领域的一个转折点，该项目使用基于钻石的量子位和量子光子学生产出同类型最大的量子芯片。
建造量子计算机将需要数以百万计的量子处理器，而麻省理工学院和桑迪亚国家实验室的新研究，部分由美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室的分布式量子信息中心资助和管理，展示了一种扩大处理器产量的可行方法。
“建造大规模量子设备需要组装大量高质量的量子位，并创建可靠的电路，在它们之间传输和操纵量子信息，”陆军研究员、CDQI联合经理弗雷德里克·法特米博士说。“在这里，研究小组展示了在可靠制造这两种关键元素的复杂量子芯片方面的非凡进展。”
与传统计算机使用0和1代表的位元来处理和存储信息不同，量子计算机使用量子位元来操作，量子位元可以同时代表0、1或两者。这种奇怪的性质使得量子计算机可以同时进行多个计算，解决传统计算机难以解决的问题。
这种新型芯片中的量子位元是由钻石的缺陷制成的人造原子，可以用可见光和微波刺激，释放出携带量子信息的光子。
研究人员在同行评审期刊上描述了这一过程自然，是一种混合方法，其中精心选择的量子微晶片包含多个基于金刚石的量子位元，放置在一个氮化铝光子集成电路。
“在过去20年的量子工程中，以可与集成电子产品相媲美的量制造这种人工量子位系统一直是最终的愿景，”麻省理工学院电子工程与计算机科学系副教授德克·英格伦说。欧洲杯线上买球“尽管在这个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每个光子系统2到3个发射器。”欧洲杯足球竞彩
利用他们的混合方法，研究人员能够构建一个128量子比特系统——迄今为止最大的集成人工原子光子学芯片。
晶片中的人造原子由钻石的颜色中心、钻石碳晶格中相邻碳原子缺失的缺陷组成，它们的空间要么被另一种元素填充，要么被留空。
在芯片中，替代元素是锗和硅。每个中心都是类原子发射器，其自旋状态可以形成一个量子位。人造原子发出彩色的光粒子或光子，携带由量子位表示的量子信息。欧洲杯猜球平台
钻石色中心是很好的固态量子位，但“这个平台的瓶颈实际上是构建一个可以扩展到成千上万量子位的系统和设备架构，”麻省理工学院研究人员、论文合著者诺埃尔·万(Noel Wan)说。
“人工原子在固体晶体中，不必要的污染会影响重要的量子特性，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，这使得很难衡量这些系统。”
研究人员决定采用模块化和混合的方法，而不是完全用钻石建造大型量子芯片。
“我们使用半导体制造技术来制造这些小的钻石片，从中我们只选择最高质量的量子位模块，”Wan说。“然后，我们将这些芯片一块一块地集成到另一块芯片上，再将这些芯片连接到一个更大的设备上。”
这种集成是在光子集成电路上进行的，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。Photonics提供了底层架构，以低损耗在电路中的模块之间路由和切换光子。电路平台是氮化铝，而不是一些集成电路的传统硅。
利用这种光子电路和钻石晶片的混合方法，研究人员能够在一个平台上连接128个量子位元。根据研究人员的说法，量子位元是稳定的和长寿命的，它们的发射可以在电路中调整，以产生光谱上难以区分的光子。
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，但下一步将是测试其处理技能。
“这证明了固态量子位发射器是非常可扩展的量子技术，”Wan说。“为了处理量子信息，下一步将是控制这些大量的量子位，并诱导它们之间的相互作用。”
这种芯片设计中的量子位不一定非得是这些特殊的钻石色中心。其他芯片设计师可能会选择其他类型的钻石色心，其他半导体晶体(如碳化硅)中的原子缺陷，某些半导体量子点，或晶体中的稀土离子。
“由于集成技术是混合和模块化的，我们可以为每个组件选择最适合的材料，而不是只依赖一种材料的自然特性，因此我们可以将每种不同材料的最佳性能组合到一个系统中。”麻省理工学院研究员、这篇论文的合著者吕宗菊说。
研究人员说，找到一种自动化过程的方法，并进一步展示与光电子元件(如调制器和探测器)的集成，将有必要制造更大的芯片，用于模块化量子计算机和多通道量子中继器，长距离传输量子位元。
“该团队在人工原子和光子的大规模集成方面取得了令人难以置信的进展，展望未来，我们对设备日益复杂的测试感到非常兴奋，”陆军研究办公室的项目经理Sara Gamble博士说，陆军研究办公室是CCDC ARL的一个组成部分，也是CDQI的联合经理。“该团队迄今为止成功演示的模块化方法，对未来陆军高度关注的量子计算机和量子网络具有巨大的前景。”
*经贝基·哈姆(Becky Ham)《麻省理工新闻》(MIT News)的一篇文章许可改编。
来源:https://www.arl.army.mil/