Nature:量子計算,從「芯」出發

2021-01-15 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學

撰稿 | 何泊衢（華東師範大學 博士）

01

導讀

量子計算機是一個炙手可熱的研究話題。不同於經典的計算機，信息的處理和存儲用0/1的比特數來表示；而量子計算機的操作使用量子比特，可以表示0，1或者利用量子疊加態同時表示0和1。它的魅力在於，計算能力隨著能支持的量子比特數呈現冪指數2n增長。大規模可擴展的量子計算機能解決目前最強大的超級計算機也難以攻克的問題，例如提高新藥與半導體材料的研發效率、密碼學中的尋找大數質因數以及加速人工智慧的發展。

目前而言，研發量子計算機以及構建大範圍量子網絡面臨著的核心挑戰在於獨立可控制的量子比特數。量子比特數越高意味著量子計算機能夠支持更大數字參與運算，單次運算處理的信息量越大。目前量子比特數最高為70+位。科學家認為量子比特位數達到100-1000後才有望達到商用要求。

金剛石色心作為一種領先的固態人造原子量子比特為人熟知，可以提供遠距離量子糾纏、在10個量子比特上進行長達分鐘級別的相干控制以及記憶增強的量子通信。如何將大量的人造原子與光子晶片構架集成在一起，使得大規模量子信息處理系統成為可能，一直是困擾研究者的問題。其原因在於，量子比特的不均一性、低器件產量以及複雜的器件需求。

近日，來自麻省理工學院電子研究實驗室的 Dirk Englund 團隊提出了一種方案，將量子微晶片（具有高相干色心的金剛石波導陣列）與光子集成晶片進行高產量混合集成，如圖1所示。他們建立一個128量子比特的系統，這是迄今為止最大的人造原子的集成光子晶片。這種技術可以將大量不可分辨的可調諧人造原子裝配成相位穩定的光子集成電路，是製造復用量子中繼器以及通用量子處理器的技術關鍵。

圖1，量子光晶片以及其裝配過程。圖片的下半部分展示了量子微晶片，發射單光子脈衝，可以在光子集成電路中運行和操控；圖片上半部分顯示晶片製造的方式，來自金剛石的量子微晶片單獨進行封裝，然後轉移到光子集成電路中。

（圖片來源：MIT news）

02

背景介紹

金剛石中人造原子的量子比特具有分鐘量級相干時間的自旋團簇，以及有效的自旋-光子接口，是處理量子信息重要的一環。對於為長距離高速量子網絡設計的量子中繼器而言，需要數百個記憶量子比特；對於可以糾錯的量子計算機而言，需要的量子比特數量可能超過百萬。制約大規模量子信息處理的關鍵在於功能化量子比特系統的低器件產能。具體來說，雖然單個自旋-光子接口有著優秀的性能，但是主動晶片集成的光子器件以及晶圓級別單晶金剛石的缺乏限制著單片金剛石量子信息處理框架的可擴展性。

目前來說，具有前景的解決方法是混合集成，也就是利用先進的微電子技術來裝配封裝好的子器件到單片多功能晶片上。然而，這種技術只能一片片地進行封裝，大規模量產依舊是一個挑戰；並且，對於人造原子的光譜排列，也不能很好地解決。

針對以上問題，作者提出了一種「量子微晶片」框架，可以大幅提高納米級別器件集成的產量和準確度。作者展示了128通道的光子集成人造原子晶片，包含具有高耦合效率、長相干時間的金剛石量子發射器，並且可以調諧光學頻率來補償微晶片間的光譜不均一性。

03

創新研究

作者創新地提出一種混合集成框架，而不是試圖用金剛石來製造一個大型的量子晶片，如圖2所示。採用半導體製造技術來製造金剛石量子微晶片，從中篩選出質量最好的來組成模塊。每一個子器件進行單獨的製造，然後進行最終的裝配，這樣可以最大化混合晶片的產量以及性能。挑選-放置裝配法先對金剛石母晶片中的量子微晶片進行篩選，然後再轉移到混合晶片的插座上，可以通過電極控制金剛石色心產生量子比特，然後通過光學接口進行有效耦合。整個電路平臺是基於氮化鋁，而不是採用傳統的矽。這是因為矽會吸收金剛石色心的可見光，而對於氮化鋁是透明的。另外氮化鋁可支持光子學開關在低溫下工作。

圖2，人造原子和光子晶片的可規模化集成框架。

圖片來源：Nature 583，226-244（2020）（Fig.1）

另外，對於量子晶片中躍遷頻率不均一性的問題，作者在光子集成電路中通過加載電壓調諧應力，從而改變軌道結構，金剛石色心中的光學躍遷從而發生改變，如圖3所示。這種方法的調諧能力可以達到100 GHz，足以覆蓋原本頻率的不均一性分布。

圖3，通過應力調諧機制來改變金剛石的躍遷頻率。通過在金剛石薄片兩端加載偏壓控制應力形變，從而對產生的光譜進行調諧。

圖片來源：Nature 583，226-244（2020）（Fig.5）

04

應用與展望

人造原子與光子晶片的大規模集成將極大地擴展納米光子學器件的應用範圍，例如，具有高質量因子的金剛石光子晶體腔以及光學主動自旋材料。本工作的先進之處在於可以有力推進未來光子和電子器件集成的規模化生產，對於可擴展的量子信息處理應用尤為吸引人。通過這種製造框架生產的復用量子中繼器以及基於固態自旋的量子計算機模塊，一旦商用，可以有效地在諸如新藥與半導體材料的研發、密碼學中的尋找大數質因數以及加速人工智慧的發展等領域大放光彩。

文章信息：

該研究成果以" Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits "為題在線發表在 Nature。

論文全文下載地址：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2441-3

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