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量子芯片的规模-麻省理工学院的工程师将光子学

更新时间:2020-07-18 17:01点击:

麻省理工学院的工程师开发了一种混合过程,将光子学与人造原子连接起来。制造同类中最大的量子芯片

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种制造和集成人造原子的方法。由显微镜般薄的金刚石薄片上的原子级缺陷制造,利用光子电路,制造出同类中最大的量子芯片。

这一成就标志着一个转折点。麻省理工大学电子工程和计算机科学系副教授德克·英格伦说:“在可伸缩的量子处理器领域。”他和他的同事指出,建造量子计算机将需要数以百万计的量子处理器,而新的研究证明了一种可行的方式来扩大处理器的产量。

与使用0和1表示的位来处理和存储信息的传统计算机不同,量子计算机使用量子位(即量子位)来操作,量子位可以同时表示0、1或两者。这种奇怪的特性允许量子计算机同时进行多种计算,解决经典计算机难以解决的问题。

新芯片中的量子位是用金刚石的缺陷制成的人造原子,通过可见光和微波的刺激,可以释放出携带量子信息的光子。英格伦和他的团队在《自然》杂志上描述的这个过程是一种混合方法,其中精心挑选了量子微芯片。将含有多个金刚石基量子位元放置在氮化铝光子集成电路上。

在过去20年的量子工程中,以可与集成电子学相媲美的数量制造这种人造量子位系统已成为最终的愿景。英格伦说。虽然在这一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仅产生了2到3个发射子每个光子系统。

就技术而言,这是相当令人兴奋的。哈佛大学天赛林电子工程教授Marko lona说,他没有参与这项研究。他们能够在光子平台上获得稳定的发射源,同时保持非常好的量子存储器。

《自然》杂志论文的其他作者包括麻省理工学院研究人员Noel H. Wan、Lu Tsung-Ju、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;与桑迪亚国家实验室的Edward S. Bielejec合作。

小字虫的质量控制

人造原子在chiplets由钻石的颜色中心,钻石的碳晶格的缺陷,邻近的碳原子缺失,其空间或填补不同的元素或留下空缺。在麻省理工学院的芯片中,取代的元素是锗和硅。每个中心作为一个类似原子的发射器,其自旋状态可以形成一个量子位元。人造原子释放出有颜色的光粒子或光子,携带由量子位元表示的量子信息。

金刚石色中心可以制造出很好的固态量子位元,但这个平台的瓶颈实际上是构建一个可扩展到数千和数百万量子位元的系统和设备架构。苍白的解释道。人工原子在固体晶体中,不需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,这使得测量这些系统变得困难。

研究人员决定采用模块化和混合的方法,而不是试图完全用钻石制造一个大型量子芯片。我们使用半导体制造技术来制造这些小的金刚石片,从中我们只选择最高质量的量子位模,Wan说。然后,我们将这些芯片一块一块地集成到另一块布线的芯片中。这些字组合成一个更大的设备。

集成发生在光子集成电路上,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。光子学提供了在电路模块之间以低损耗路由和切换光子的底层架构。电路平台是氮化铝,而不是传统的硅的一些集成电路。

金刚石色中心在可见光谱中发光。然而,传统的硅吸收可见光,这就是为什么我们使用氮化铝作为我们的光子学平台,因为它是透明的,陆解释道。此外,氮化铝可以支持在低温下工作的光子开关,我们在低温下操作,以控制我们的颜色中心。

利用这种光子电路和金刚石芯片的混合方法,研究人员能够在一个平台上连接128个量子位元。Wan和他的同事说,量子位稳定且寿命长,它们的发射可以在电路中进行调谐,从而产生光谱上无法分辨的光子。

一个模块化的方法

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,但下一步将是将其打开。可以说,是为了测试它的处理能力。

这是一个概念的证明,即固态量子比特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元,并诱导它们之间的相互作用。

这种芯片设计中的量子位元不一定非得是这些特殊的钻石色中心。其他芯片设计者可能会选择其他类型的钻石色中心,其他半导体晶体中的原子缺陷,如碳化硅,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,而不是依赖于单一材料的自然特性,从而使我们能够将不同材料的最佳特性结合到一个系统中。陆说。

研究人员说,找到一种方法来自动化这一过程,并进一步演示与诸如调制器和探测器等光电元件的集成,这对于构建模块化量子计算机和长距离传输量子位的多通道量子中继器所必需的更大芯片是必要的。

参考文献:人工原子在混合光子电路中的大规模集成作者:Noel H. Wan, Lu Tsung-Ju, Kevin C. Chen, Michael P. Walsh, Matthew E. Trusheim, Lorenzo De Santis, Eric A. Bersin, Isaac B. Harris, Sara L. Mouradian, Ian R. Christen, Edward S. Bielejec和Dirk Englund, Nature, 2020年7月8日。

DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2441 - 3