混合过程开发生产较大的量子电脑芯片

麻省理工学院研究人员制定了一种制造和整合“人工原子”的过程，这些过程由微观薄片的原子缺陷在微观薄片的金刚石中，具有光子电路，产生其类型的最大量子芯片。将需要数百万量子处理器来构建量子计算机，新的研究展示了一种可行的方式来扩展处理器生产，他和他的同事们说明。

与经典计算机不同，使用由0s和1s表示的比特进行处理和存储信息，量子计算机使用量子位运行，或者Qubits，它们可以同时表示0,1或两个。这种奇怪的属性允许量子计算机同时执行多种计算，解决古典计算机难治的问题。

新芯片中的Qubits是由钻石中的缺陷制成的人工原子，其可以用可见光和微波产生以发射携带量子信息的光子。该过程是一种混合方法，其中仔细选择的含有多个钻石基Qubits的“量子微小芯片”放置在氮化铝光子集成电路上。

“在过去的20年的量子工程中，它是在MIT的电气工程系和计算机科学部门副教授的副教授德克恩隆表示，它一直是制造这种人工Qubit系统的最终愿景。”“虽然在这一非常活跃的研究领域，但是，迄今为止，制造和材料并发症的制造和材料的并发症每台光子系统只产生两到三个发射器。”

使用它们的混合方法，Englund及其同事能够建立一个128个Qubit系统 - 最大的综合人工原子 - 光子芯片。

“在哈佛大学的电气工程局局林教授MarkoLončar说，这是非常令人兴奋的，”哈佛大学的电气工程师教授，他不参与该研究。“他们能够在光子平台中获得稳定的发射器，同时保持非常好的量子回忆。”

其他作者上自然论文包括麻省理工学院研究人员Noel H. Wan、chong - 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;与Sandia国家实验室的Edward S. Bielejec合作。

小芯片质量控制

小芯片中的人工原子由钻石中的颜色中心组成，金刚石的碳碳碳缺陷缺失，其中相邻的碳原子丢失，其空间要么被不同的元素或空置填充。在麻省理工学院小芯片中，替代元素是锗和硅。每个中心用作原子的发射器，其自旋状态可以形成Qubit。人工原子发出彩色的光颗粒，或光子，其携带由量子位表示的量子信息。

钻石颜色中心做出了良好的固态夸张，但是“这个平台的瓶颈实际上建立了一个系统和设备架构，可以扩展到数千和数百万个Qubits，”研究员Noel H. Wan说。“人造原子处于固体晶体，并且不需要的污染可以影响重要的量子性质，例如相干时间。此外，晶体内的变化可能导致Qubits彼此不同，并且这使得难以扩展这些系统。“

研究人员决定采用模块化和混合动力量的方法而不是尝试在钻石中完全构建大量芯片。“我们使用半导体制造技术来制作这些小型钻石小芯片，我们只选择最高质量的Qubit模块，”Wan说。“然后，我们将这些小芯片逐渐集成到另一个芯片中，将尖头连接到更大的设备中。”

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。

“钻石颜色中心在可见光谱中发出。然而，传统的硅吸收可见光，这就是为什么我们转向氮化铝的光子型平台，因为它在该制度中是透明的，“研究员Tsung-ju Lu说。“此外，氮化铝可以支持在低温温度下功能的光子开关，我们在控制我们的颜色中心进行操作。”

使用这种混合方法的光子电路和钻石小芯片，研究人员能够在一个平台上连接128个Qubits。根据WAN及其同事的说法，Qubits稳定而长，可以在电路内调整它们的排放，以产生光谱难以区分的光子。

模块化方法

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“打开它”并测试其处理技能。

“这是一个概念证据，即固态Qubit发射者是非常可扩展的量子技术，”Wan说。“为了处理量子信息，下一步将控制这些大量Qubits并在它们之间引起相互作用。”

这种芯片设计中的量子位不一定非得是这些特殊的钻石色中心。其他芯片设计师可能会选择其他类型的钻石色心，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，而不是只依赖一种材料的自然性能，因此我们可以将每种不同材料的最佳性能结合到一个系统中。”

研究人员表示，找到一种自动化过程和诸如调制器和探测器的光电组件的进一步集成，如调制器和探测器，为模块化量子计算机和多通道量子中继器的多渠道量子中继器提供更大的芯片。

马萨诸塞州理工大学（麻省理工学院）

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- 由Chris Vavra，Associate Editor编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.。