集成數(shù)千原子量子比特的半導(dǎo)體芯片問世

科技日?qǐng)?bào)2024年6月20日?qǐng)?bào)道，美國麻省理工學(xué)院和MITRE公司展示了一個(gè)可擴(kuò)展的模塊化硬件平臺(tái)，該平臺(tái)將數(shù)千個(gè)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(gòu)能精確調(diào)諧和控制密集的量子比特陣列。多個(gè)芯片可通過光網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而創(chuàng)建一個(gè)大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)。研究論文發(fā)表在《自然》雜志第630卷第8015期上。

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(gè)頻率通道上調(diào)整量子比特，該QSoC架構(gòu)允許為大規(guī)模量子計(jì)算提出一種新的“糾纏復(fù)用”協(xié)議。

為了構(gòu)建QSoC，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種制造工藝，將金剛石色心“微芯片”大規(guī)模轉(zhuǎn)移到CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）背板上。他們首先用一塊實(shí)心金剛石制作出金剛石色心微芯片陣列，還設(shè)計(jì)并制作了納米級(jí)光學(xué)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?cè)诎雽?dǎo)體代工廠設(shè)計(jì)并規(guī)劃出芯片，并在潔凈室中對(duì)CMOS芯片進(jìn)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(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室建立了一個(gè)內(nèi)部傳輸裝置，并應(yīng)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(jié)合力較弱，當(dāng)他們水平釋放大塊金剛石時(shí)，微芯片會(huì)留在插槽中。

團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)500 μm×500 μm的區(qū)域轉(zhuǎn)移，該轉(zhuǎn)移區(qū)域包含1024個(gè)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(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模。事實(shí)上，隨著量子比特的增多，這種架構(gòu)下調(diào)整頻率所需的實(shí)際電壓更小。

利用這項(xiàng)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)擁有超過4000個(gè)量子比特的完整芯片，這些量子比特可調(diào)整到相同的頻率，同時(shí)保持其自旋和光學(xué)特性。他們還構(gòu)建了一個(gè)數(shù)字孿生模型，將實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

（2024年6月20日 張夢(mèng)然 科技日?qǐng)?bào)）