集成數(shù)千原子量子比特的半導體芯片問世，為創(chuàng)建大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡奠定基礎
美國麻省理工學院和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)架構能精確調諧和控制密集的量子比特陣列。多個芯片可通過光網(wǎng)絡連接起來，從而創(chuàng)建一個大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡。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體芯片上。
圖片來源：麻省理工學院電子研究實驗室
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個頻率通道上調整量子比特，該QSoC架構允許為大規(guī)模量子計算提出一種新的“糾纏復用”協(xié)議。
為了構建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)模轉移到CMOS(互補金屬氧化物半導體)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，還設計并制作了納米級光學天線，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，他們在半導體代工廠設計并規(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部傳輸裝置，并應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)域轉移，該轉移區(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，這種架構下調整頻率所需的實際電壓更小。
利用這項技術，團隊展示了一個擁有超過4000個量子比特的完整芯片，這些量子比特可調整到相同的頻率，同時保持其自旋和光學特性。他們還構建了一個數(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。
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