擴大量子晶片規模：MIT工程師將光子學與「人工原子」連接起來

2020-09-16 工程學習

此圖描繪了量子光子晶片及其組裝過程的程式化渲染。圖像的下半部分顯示了一個起作用的量子微小晶片（QMC），該晶片發出單光子脈衝，該脈衝在光子集成電路（PIC）上進行路由和操縱。圖像的上半部分顯示了該晶片的製造方法：鑽石QMC分別製造，然後轉移到PIC中。圖片來源：Noel H Wan

麻省理工學院的工程師開發了一種混合工藝，將光子學與「人造原子」連接起來，以生產出同類同類最大的量子晶片。

麻省理工學院的研究人員已經開發出一種製造和集成「人造原子」的工藝，該工藝由鑽石的微觀薄片中的原子級缺陷產生，並帶有光子電路，從而生產出同類最大的量子晶片。

麻省理工學院電氣工程與計算機科學系副教授Dirk Englund說，這項成就「標誌著可伸縮量子處理器領域的轉折點」。他和他的同事指出，建造量子計算機將需要數百萬個量子處理器，這項新的研究證明了擴大處理器生產規模的可行方法。

與經典計算機不同，傳統計算機使用0和1表示的位來處理和存儲信息，而量子計算機則使用量子位或qubit（可以同時表示0、1或兩者）來運行。這種奇怪的特性使量子計算機可以同時執行多個計算，從而解決了傳統計算機難以解決的問題。

新晶片中的量子位是由金剛石缺陷製成的人造原子，可以用可見光和微波來推動，從而發射出攜帶量子信息的光子。Englund和他的團隊在《自然》雜誌上描述的過程是一種混合方法，其中將精心挑選的包含多個基於金剛石的量子比特的「量子微晶片」放置在氮化鋁光子集成電路上。

Englund說：「在過去的20年量子工程中，製造與人造電子產品相當的人造qubit系統一直是最終的願景。」 「儘管在這一非常活躍的研究領域取得了顯著進展，但迄今為止，製造和材料複雜性使每個光子系統僅產生兩到三個發射器。」

使用他們的混合方法，Englund及其同事能夠構建一個128量子位的系統—迄今為止最大的集成人工原子-光子學晶片。

哈佛大學電氣工程系的田賽琳教授MarkoLončar說：「就技術而言，這是令人興奮的。」 「他們能夠在光子平臺上獲得穩定的發射器，同時保持非常好的量子記憶。」

Nature論文的其他作者包括MIT研究人員Noel H. Wan，Tsung-Ju Lu，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；與Sandia國家實驗室的Edward S. Bielejec合作。

小晶片的質量控制

小晶片中的人造原子由鑽石的色心，鑽石的碳晶格中相鄰的碳原子缺失的缺陷組成，它們的空間由不同的元素填充或空著。在MIT小晶片中，替換元素是鍺和矽。每個中心充當原子狀的發射體，其自旋狀態可以形成一個量子位。人造原子發出帶有光或光子的彩色粒子，這些粒子攜帶著量子位表示的量子信息。

Wan解釋說，鑽石色中心構成了良好的固態量子位，但是「此平臺的瓶頸實際上是在構建可擴展到成千上萬個量子位的系統和設備架構。」 人造原子在固態晶體中，不需要的汙染會影響重要的量子性質，如相干時間。此外，晶體內的變化會導致量子位彼此不同，因此很難縮放這些系統。」

研究人員決定採用模塊化和混合方法，而不是嘗試完全用鑽石構建大型量子晶片。「我們使用半導體製造技術來製造這些鑽石小晶片，從中我們僅選擇質量最高的量子比特模塊，」 Wan說。「然後，我們將這些小晶片逐個集成到另一個晶片中，從而將這些小晶片「連接」到更大的設備中。」

積分在光子集成電路上進行，該光子集成電路類似於電子集成電路，但使用光子而不是電子來承載信息。光子學提供了底層架構，可在電路中的模塊之間以低損耗路由和切換光子。電路平臺是氮化鋁，而不是某些集成電路的傳統矽。

鑽石的色心在可見光譜中發出。但是，傳統的矽會吸收可見光，這就是為什麼我們將氮化鋁用於光子學平臺的原因，因為在那種情況下它是透明的。」 「此外，氮化鋁可以支持在低溫下工作的光子開關，我們在該溫度下控制色中心。」

使用這種光子電路和鑽石小晶片的混合方法，研究人員能夠在一個平臺上連接128個量子比特。萬和他的同事們說，這些量子比特是穩定且壽命長的，它們的發射可以在電路內進行調節，以產生光譜上無法區分的光子。

模塊化方法

儘管該平臺提供了一種可擴展的過程來生產人造原子光子學晶片，但下一步將是「打開它」，可以這麼說，以測試其處理能力。

Wan說：「這是固態量子比特發射器是非常可擴展的量子技術的概念證明。」 「為了處理量子信息，下一步將是控制這些大量的量子位，並誘導它們之間的相互作用。」

這種晶片設計中的量子位不一定必須是這些特定的鑽石色心。其他晶片設計人員可能會選擇其他類型的鑽石色心，其他半導體晶體（如碳化矽）中的原子缺陷，某些半導體量子點或晶體中的稀土離子。「由於集成技術是混合的和模塊化的，因此我們可以選擇適合每個組件的最佳材料，而不是僅僅依靠一種材料的自然屬性，從而使我們能夠將每種不同材料的最佳屬性組合到一個系統中，」魯。

研究人員說，找到一種方法來實現這一過程的自動化，並證明與調製器和檢測器之類的光電組件進一步集成，對於製造更大的晶片是模塊化量子計算機和長距離傳輸量子比特的多通道量子中繼器所必需的。

參考：Noel H. Wan，Tsung-Ju Lu，Kevin C. Chen，Michael P. Walsh，Matthew E. Trusheim，Lorenzo De Santis，Eric A. Bersin，「混合光子電路中的人造原子的大規模集成」，艾薩克B.哈裡斯，薩拉L.莫拉迪安，伊恩·R.克裡森，愛德華S. Bielejec和德克·英格倫7月8日到2020年，自然。
DOI：10.1038 / s41586-020-2441-3

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