量子计算机有望快速解决世界上最强大的超级计算机也可能需要几十年才能解决的极其复杂的问题。

但要实现这种性能，需要构建一个由数百万个相互连接的构建块(称为量子比特)组成的系统。在硬件架构中制造和控制如此多的量子比特是全球科学家正在努力应对的巨大挑战。

为了实现这一目标，麻省理工学院和MITRE的研究人员展示了一个可扩展的模块化硬件平台，该平台将数千个互连的量子比特集成到定制的集成电路上。这种“量子片上系统”(QSoC)架构使研究人员能够精确地调谐和控制密集的量子比特阵列。多个芯片可以通过光网络连接起来，从而创建一个大规模的量子通信网络。

通过在11个频率通道上调整量子比特，该QSoC架构允许为大规模量子计算提出一种新的“纠缠复用”协议。

该团队花费数年时间完善了一种复杂的工艺，用于制造原子大小的量子比特微芯片的二维阵列，并将数千个微芯片转移到精心准备的互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片上。此转移可在一个步骤中完成。

“我们需要大量的量子比特，以及对它们的强大控制，才能真正发挥量子系统的力量并使其发挥作用。我们提出了一种全新的架构和制造技术，可以满足量子计算机硬件系统的可扩展性要求，”电气工程和计算机科学(EECS)研究生、该架构论文的主要作者LinsenLi表示。

Li的合著者包括电子工程与计算机科学学院副教授、太赫兹集成电子学小组负责人、电子研究实验室(RLE)成员RuonanHan;资深作者、电子工程与计算机科学学院教授、量子光子学和人工智能小组及RLE首席研究员DirkEnglund;以及麻省理工学院、康奈尔大学、代尔夫特理工学院、陆军研究实验室和MITRE公司的其他人员。该论文发表在《自然》杂志上。

金刚石微芯片

虽然量子比特有很多种类型，但研究人员选择使用钻石色心，因为它们具有可扩展性优势。他们之前曾使用这种量子比特生产带有光子电路的集成量子芯片。

由钻石色心制成的量子比特是携带量子信息的“人造原子”。由于钻石色心是固态系统，因此量子比特的制造与现代半导体制造工艺兼容。由于钻石材料提供的清洁环境，它们还很紧凑，并且具有相对较长的相干时间(指量子比特状态保持稳定的时间)。

此外，钻石色心具有光子界面，这使得它们可以与不相邻的其他量子位进行远程纠缠或连接。

“该领域的传统假设是，与离子和中性原子等相同的量子存储器相比，钻石色心的不均匀性是一个缺点。然而，我们通过拥抱人造原子的多样性将这一挑战转化为优势：每个原子都有自己的光谱频率。这使我们能够通过电压调节使它们与激光共振来与单个原子进行通信，就像调节微型收音机上的刻度盘一样，”恩格伦说。

这尤其困难，因为研究人员必须大规模实现这一点，以补偿大系统中的量子比特不均匀性。

为了跨量子比特进行通信，他们需要将多个这样的“量子无线电”拨入同一信道。当扩展到数千个量子比特时，实现这一条件几乎是肯定的。

为此，研究人员克服了这一挑战，将大量钻石色心量子比特集成到提供控制拨盘的CMOS芯片上。该芯片可与内置数字逻辑相结合，快速自动重新配置电压，使量子比特实现完全连接。

“这弥补了系统的非均匀性。借助CMOS平台，我们可以快速、动态地调整所有量子比特频率，”李解释说。

锁定和释放制造

为了构建这个QSoC，研究人员开发了一种制造工艺，将钻石色心“微芯片”大规模转移到CMOS背板上。

他们首先用一块实心钻石制作出钻石色心微芯片阵列。他们还设计并制作了纳米级光学天线，以便更有效地收集这些色心量子比特在自由空间中发射的光子。

然后，他们在半导体代工厂设计并规划出芯片。在MIT.nano洁净室中，他们对CMOS芯片进行后处理，添加与钻石微芯片阵列相匹配的微尺度插座。

他们在实验室中建立了一个内部传输装置，并应用锁定和释放流程将两层集成在一起，方法是将钻石微芯片锁定在CMOS芯片的插槽中。由于钻石微芯片与钻石表面的结合力较弱，当他们水平释放大块钻石时，微芯片会留在插槽中。

“因为我们可以控制钻石和CMOS芯片的制造，所以我们可以制作出互补的图案。通过这种方式，我们可以同时将数千个钻石芯片转移到相应的插槽中，”李说。

研究人员展示了一个500微米x500微米的区域转移，该转移区域包含1,024个金刚石纳米天线阵列，但他们可以使用更大的金刚石阵列和更大的CMOS芯片来进一步扩大系统规模。事实上，他们发现，随着量子比特的增多，这种架构下调整频率所需的电压实际上更小。

“在这种情况下，如果你有更多的量子比特，我们的架构将会运行得更好，”李说。

该团队测试了许多纳米结构，才确定了用于锁定和释放过程的理想微芯片阵列。然而，制造量子微芯片并非易事，整个过程需要数年才能完善。

“我们已经迭代并开发了在麻省理工学院洁净室中制造这些金刚石纳米结构的配方，但这是一个非常复杂的过程。需要19步纳米加工才能获得金刚石量子微芯片，而且这些步骤并不简单，”他补充道。

除了QSoC之外，研究人员还开发了一种方法来表征系统并大规模测量其性能。为此，他们构建了一个定制的低温光学计量装置。

利用这项技术，他们展示了一个拥有超过4,000个量子比特的完整芯片，这些量子比特可以调整到相同的频率，同时保持其自旋和光学特性。他们还构建了一个数字孪生模拟，将实验与数字化建模联系起来，这有助于他们了解观察到的现象的根本原因，并确定如何有效地实现架构。

未来，研究人员可以通过改进制造量子比特的材料或开发更精确的控制过程来提高系统的性能。他们还可以将这种架构应用于其他固态量子系统。

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