缩放量子芯片:麻省理工学院工程师用“人工原子”连接光子学

MIT量子光子芯片

这张图描绘了量子光子芯片及其组装过程的程式化渲染图。图像的下半部分显示了一个正在工作的量子微芯片(QMC),它发出单光子脉冲,在光子集成电路(PIC)上路由和操纵。图片的上半部分显示了该芯片是如何制作的:金刚石qmc分别制作,然后转移到PIC。资料来源:Wan Noel H

麻省理工学院工程师们开发了一种将光子学与“人造原子”连接起来的混合工艺,以生产同类产品中最大的量子芯片。

麻省理工学院(MIT)的研究人员开发了一种制造和集成“人造原子”的工艺,这种“人造原子”是由极薄的金刚石薄片上的原子尺度缺陷产生的,利用光子电路生产出了同类产品中最大的量子芯片。

麻省理工学院电子工程与计算机科学系副教授德克·英格伦表示,这一成就标志着可扩展量子处理器领域的“一个转折点”。他和他的同事们指出,建造量子计算机将需要数百万个量子处理器,而这项新研究证明了一种扩大处理器生产规模的可行方法。

与用0和1表示的比特来处理和存储信息的经典计算机不同,量子计算机使用的是可以同时表示0和1或两者的量子位或量子位。这种奇特的特性使量子计算机能够同时进行多项计算,解决了传统计算机难以解决的问题。

这种新芯片中的量子位是由钻石缺陷制成的人造原子,可以用可见光和微波刺激它们,释放出携带量子信息的光子。英格伦和他的团队描述了这个过程自然,是一种混合方法,在这种方法中,精心挑选的“量子微芯片”包含多个基于钻石的量子位元,放置在一个氮化铝光子集成电路上。

“在过去20年的量子工程中,制造这种人造量子比特系统的最终目标是达到集成电子产品的产量,”英格伦说。“尽管在这个非常活跃的研究领域已经取得了显著的进展,但迄今为止,每个光子系统的制造和材料复杂性仅产生了两到三个发射器。”

利用他们的混合方法,英格伦和他的同事们建立了一个128量子位系统——最大的集成人工系统原子- 芯片芯片又。

“就这项技术而言,这非常令人兴奋,”没有参与这项研究的哈佛大学(Harvard University)电子工程教授林天赛(Marko Lin) Lončar说。“他们能够在光子平台上获得稳定的发射器,同时保持非常好的量子存储器。”

其他作者自然Paper包括麻省理工学院研究人员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.。克里斯滕;与Edward S.Bielejec在桑迪亚国家实验室。

薯片的质量控制

晶片中的人造原子由钻石的色心组成,色心是钻石碳晶格中缺失相邻碳原子的缺陷,它们的空间要么被不同的元素填充,要么被闲置。在麻省理工学院的芯片中,替代元素是锗和硅。每个中心都像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。人造原子发射出彩色的光粒子或光子,它们携带由量子位所代表的量子信息。

钻石彩色中心可以制造很好的固态量子位,但Wan解释说:“这个平台的瓶颈实际上是建立一个系统和设备架构,可以扩展到成千上万的量子位。”“人造原子位于固体晶体中,有害的污染会影响重要的量子特性,比如相干时间。此外,晶体内部的变化会导致量子位元彼此不同,这就很难对这些系统进行缩放。”

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建造一个大型量子芯片。Wan说:“我们使用半导体制造技术来制造这些小的钻石芯片,从这些芯片中我们只选择质量最高的量子位模块。”“然后我们将这些芯片一块一块地集成到另一个芯片中,再将芯片‘连接’到一个更大的设备中。”

在光子集成电路上进行积分,该电路类似于电子集成电路,而是使用光子而不是电子来携带信息。光子仪提供底层架构在电路中的模块之间的路由和切换光子之间,低损耗。电路平台是氮化铝,而不是一些集成电路的传统硅。

“钻石的颜色中心在可见光谱中发射。然而,传统的硅会吸收可见光,这就是我们选择氮化铝作为光子学平台的原因,因为它在这种情况下是透明的,”Lu解释道。“此外,氮化铝可以支持在低温下发挥作用的光子开关,我们可以在低温下控制颜色中心。”

利用这种光子电路和钻石芯片的混合方法,研究人员能够在一个平台上连接128个量子位。Wan和他的同事们说,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区分的光子。

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造原子光子芯片,但下一步将是“打开它”,也就是说,来测试它的处理技能。

Wan说:“这证明了固态量子比特发射器是一种可扩展的量子技术。”“为了处理量子信息,下一步将是控制这些大量的量子位,并诱导它们之间的相互作用。”

这种类型的芯片设计中的量子位并不一定是这些特定的钻石颜色中心。其他芯片设计者可能会选择其他类型的金刚石色心、其他半导体晶体(如碳化硅)中的原子缺陷、某些半导体量子点或晶体中的稀土离子。Lu说:“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,而不是依赖于一种材料的自然特性,从而允许我们将不同材料的最佳性能结合到一个系统中。”

研究人员说,找到一种自动化过程的方法,并证明进一步集成光电元件,如调制器和探测器,将有必要制造更大的芯片,用于模块化量子计算机和远距离传输量子位的多通道量子中继器。

参考:由Noel H. Wan, zong - ju Lu, 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, 2020年7月8日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2441 - 3

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