研究人员开发了一种模块化制造工艺来生产量子片上系统，该系统将人造原子量子比特阵列集成到半导体芯片上。图片来源：Sampson Wilcox 和 Linsen Li，RLE。
量子计算机有望快速解决极其复杂的问题，而世界上最强大的超级计算机可能需要几十年才能破解这些问题。
但要实现这种性能，需要构建一个具有数百万个互连构建块（称为量子比特）的系统。在硬件架构中制造和控制如此多的量子比特是全世界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种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整和控制密集的量子比特阵列。可以使用光网络连接多个芯片，以创建大规模的量子通信网络。
通过在 11 个频率通道上调谐量子比特，这种 QSoC 架构允许为大规模量子计算提供一种新的“纠缠多路复用”协议。
该团队花了数年时间完善了一个复杂的过程，用于制造原子大小的量子比特微小芯片的二维阵列，并将数千个微小芯片转移到精心准备的互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片上。此传输可以在一个步骤中执行。
“我们将需要大量的量子比特，并对它们进行很好的控制，才能真正利用量子系统的力量并使其有用。我们正在提出一种全新的架构和制造技术，可以支持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Linsen Li说。“我们将需要大量的量子比特，并对它们进行很好的控制，才能真正利用量子系统的力量并使其有用。我们正在提出一种全新的架构和制造技术，可以支持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Linsen Li说。
Li的合著者包括EECS副教授，太赫兹集成电子组组长，电子研究实验室（RLE）成员韩若楠;资深作者Dirk Englund，EECS教授，量子光子学和人工智能小组和RLE的首席研究员;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。该论文发表在《自然》杂志上。Li的合著者包括EECS副教授，太赫兹集成电子组组长，电子研究实验室（RLE）成员韩若楠;资深作者Dirk Englund，EECS教授，量子光子学和人工智能小组和RLE的首席研究员;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。该论文发表在《自然》杂志上。
金刚石微小芯片金刚石微小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颜色中心，因为它们具有可扩展性优势。他们以前使用这种量子比特来生产带有光子电路的集成量子芯片。
由钻石颜色中心制成的量子比特是携带量子信息的“人造原子”。由于金刚石颜色中心是固态系统，因此量子比特制造与现代半导体制造工艺兼容。它们也很紧凑，并且具有相对较长的相干时间，这是指由于金刚石材料提供的清洁环境，量子比特的状态保持稳定的时间。
此外，钻石颜色中心具有光子接口，允许它们与不相邻的其他量子比特远程纠缠或连接。
“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，钻石颜色中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频谱频率。这使我们能够通过电压与单个原子进行通信，将它们调谐为与激光共振，就像在微型收音机上调谐表盘一样，“Englund说。
这尤其困难，因为研究人员必须大规模地实现这一目标，以补偿大型系统中的量子比特不均匀性。
为了跨量子比特进行通信，它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，实现此条件几乎是肯定的。
为此，研究人员克服了这一挑战，将大量钻石色中心量子比特集成到提供控制拨盘的CMOS芯片上。该芯片可以集成内置数字逻辑，可快速自动重新配置电压，使量子比特能够实现完全连接。
“这弥补了系统的不同质性。借助CMOS平台，我们可以快速、动态地调谐所有量子比特频率，“李解释说。“这弥补了系统的不同质性。借助CMOS平台，我们可以快速、动态地调谐所有量子比特频率，“李解释说。
锁放制造锁放制造为了构建这种QSoC，研究人员开发了一种制造工艺，将金刚石颜色中心“微小芯片”大规模转移到CMOS背板上。
他们首先用一块固体金刚石制造了一系列金刚石颜色中心微小芯片。他们还设计和制造了纳米级光学天线，可以更有效地收集这些颜色中心量子比特在自由空间中发射的光子。
然后，他们设计并绘制了半导体代工厂的芯片。在MIT.nano洁净室中，他们对CMOS芯片进行了后处理，以添加与金刚石微芯片阵列相匹配的微尺度插座。
他们在实验室中构建了一个内部传输装置，并应用了锁定和释放过程，通过将金刚石微芯片锁定到CMOS芯片上的插座中来集成两层。由于金刚石微小芯片与金刚石表面的结合较弱，当它们水平释放块状金刚石时，微小孔会留在插座中。
“因为我们可以控制金刚石和CMOS芯片的制造，所以我们可以制作互补的图案。通过这种方式，我们可以同时将数千个金刚石小芯片转移到它们相应的插槽中，“李说。
研究人员展示了具有1,024个金刚石纳米天线的阵列的500微米乘500微米面积转移，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。事实上，他们发现，对于更多的量子比特，调谐频率实际上需要更少的电压。
“在这种情况下，如果你有更多的量子比特，我们的架构会更好，”李说。
该团队测试了许多纳米结构，然后确定了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，该过程需要数年时间才能完善。
“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。获得金刚石量子微芯片需要19个纳米加工步骤，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。
使用这种技术，他们展示了一个具有超过4000个量子比特的整个芯片，这些量子比特可以调谐到相同的频率，同时保持其自旋和光学特性。他们还构建了一个数字孪生仿真，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施架构。
未来，研究人员可以通过改进用于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。
更多信息：Dirk Englund，自旋-光子界面与CMOS平台的异构集成，《自然》（2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07371-7.www.nature.com/articles/s41586-024-07371-7
期刊信息：Nature
