集成數(shù)千原子量子比特的半導(dǎo)體芯片問世，為創(chuàng)建大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)

科技日報記者 張夢然

美國麻省理工學(xué)院和MITRE公司展示了一個可擴展的模塊化硬件平臺，該平臺將數(shù)千個互連的量子比特集成到定制的電路上。這種量子片上系統(tǒng)（QSoC）架構(gòu)能精確調(diào)諧和控制密集的量子比特陣列。多個芯片可通過光網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而創(chuàng)建一個大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)。研究論文發(fā)表在近期的《自然》雜志上。

一種模塊化制造工藝可用于生產(chǎn)“量子片上系統(tǒng)”，該系統(tǒng)能將人造原子量子比特陣列集成到半導(dǎo)體芯片上。
圖片來源：麻省理工學(xué)院電子研究實驗室

由金剛石色心制成的量子比特，是攜帶量子信息的“人造原子”。通過在11個頻率通道上調(diào)整量子比特，該QSoC架構(gòu)允許為大規(guī)模量子計算提出一種新的“糾纏復(fù)用”協(xié)議。

為了構(gòu)建QSoC，團隊開發(fā)了一種制造工藝，將金剛石色心“微芯片”大規(guī)模轉(zhuǎn)移到CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）背板上。他們首先用一塊實心金剛石制作出金剛石色心微芯片陣列，還設(shè)計并制作了納米級光學(xué)天線，以更有效地收集這些色心量子比特在自由空間中發(fā)射的光子。然后，他們在半導(dǎo)體代工廠設(shè)計并規(guī)劃出芯片，并在潔凈室中對CMOS芯片進行后處理，添加與金剛石微芯片陣列相匹配的微尺度插槽。

團隊在實驗室建立了一個內(nèi)部傳輸裝置，并應(yīng)用鎖定和釋放流程將兩層集成在一起，方法是將金剛石微芯片鎖定在CMOS芯片的插槽中。由于金剛石微芯片與金剛石表面的結(jié)合力較弱，當他們水平釋放大塊金剛石時，微芯片會留在插槽中。

團隊展示了一個500微米×500微米的區(qū)域轉(zhuǎn)移，該轉(zhuǎn)移區(qū)域包含1024個金剛石納米天線陣列，但他們可使用更大的金剛石陣列和更大的CMOS芯片來進一步擴大系統(tǒng)規(guī)模。事實上，隨著量子比特的增多，這種架構(gòu)下調(diào)整頻率所需的實際電壓更小。

利用這項技術(shù)，團隊展示了一個擁有超過4000個量子比特的完整芯片，這些量子比特可調(diào)整到相同的頻率，同時保持其自旋和光學(xué)特性。他們還構(gòu)建了一個數(shù)字孿生模型，將實驗與數(shù)字化建模聯(lián)系起來，這有助于他們了解所觀察現(xiàn)象的根本原因，并確定如何有效地實現(xiàn)架構(gòu)。