麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種制造和整合“人造原子”的工藝，這種工藝由鉆石的微觀薄片中的原子級(jí)缺陷產(chǎn)生，并帶有光電集成技術(shù)電路，從而生產(chǎn)出同類最大的量子芯片。該最新研究成果論文，題為：”混合光子電路中人工原子的大規(guī)模集成“，發(fā)表在近期的《自然》雜志上。

論文第一與第二作者與通訊作者為華人博士生學(xué)者：諾埃爾·萬（Noel H. Wan）、陸宗舉（Tsung-Ju Lu）。論文主導(dǎo)作者、麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授、德克·恩格隆德（Dirk Englund）說，這項(xiàng)成就“標(biāo)志著可伸縮量子處理器領(lǐng)域的轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。建造量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)百萬個(gè)量子處理器，這項(xiàng)新的研究證明了擴(kuò)大處理器生產(chǎn)規(guī)模的可行方法。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用0和1表示的位處理和存儲(chǔ)信息不同，量子計(jì)算機(jī)使用可以同時(shí)表示0、1或兩者的量子位來運(yùn)行。這種奇怪的特性使量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)計(jì)算，從而解決了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的問題。

這種新芯片中的量子位是由鉆石中的缺陷制成的人造原子，可以用可見光和微波來驅(qū)使它們發(fā)出攜帶量子信息的光子。研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上描述的過程是一種混合方法，其中將精心挑選的包含多個(gè)基于鉆石的量子位的“量子微芯片”放置在氮化鋁光子集成電路上。

恩格隆德教授說：“在過去20年的量子工程中，制造與集成電子產(chǎn)品相當(dāng)?shù)娜嗽炝孔颖忍叵到y(tǒng)一直是最終的愿景?！?“盡管在這一非常活躍的研究領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但迄今為止，制造和材料復(fù)雜性使每個(gè)光子系統(tǒng)僅產(chǎn)生兩到三個(gè)發(fā)射器?！?/p>

使用他們的混合方法，恩格隆德及其同事能夠構(gòu)建一個(gè)128量子位的系統(tǒng)，這是迄今為止最大的集成人工原子光子學(xué)芯片。

芯片的質(zhì)量控制

小芯片中的人造原子由鉆石的色心、鉆石的碳晶格中相鄰的碳原子缺失的缺陷組成，它們的空間由不同的元素填充或保留為空。在麻省理工學(xué)院的芯片中，替換元素是鍺和硅。每個(gè)中心起著原子狀發(fā)射器的作用，其自旋狀態(tài)可以形成一個(gè)量子比特。人造原子發(fā)出帶有光或光子的彩色粒子，這些粒子攜帶著量子位表示的量子信息。

萬解釋說，鉆石色中心構(gòu)成了良好的固態(tài)量子位，但是“此平臺(tái)的瓶頸實(shí)際上是在構(gòu)建可擴(kuò)展到成千上萬個(gè)量子位的系統(tǒng)和設(shè)備架構(gòu)。” “人造原子在固態(tài)晶體中，不希望有的污染會(huì)影響重要的量子性質(zhì)，如相干時(shí)間。此外，晶體內(nèi)部的變化會(huì)導(dǎo)致量子位彼此不同，因此很難縮放這些系統(tǒng)?！?/p>

研究人員決定采用模塊化和混合方法，而不是嘗試完全用鉆石構(gòu)建大型量子芯片。 “我們使用半導(dǎo)體制造技術(shù)來制造這些鉆石小芯片，從中我們僅選擇最高質(zhì)量的量子位模塊，”“然后，我們將這些小芯片逐個(gè)集成到另一個(gè)芯片中，從而將這些小芯片“連接”到更大的設(shè)備中?！?/p>

麻省理工學(xué)院：一種通過制造和整合“人造原子”的光電集成技術(shù)

這種集成是在光子電路上進(jìn)行，該光子集成電路類似于電子集成電路，但使用光子而不是電子來承載信息。光子學(xué)提供了底層架構(gòu)，可在電路中的模塊之間以低損耗路由和切換光子。電路平臺(tái)是氮化鋁，而不是某些集成電路的傳統(tǒng)硅。

通過使用這種光子電路和鉆石小芯片的混合方法，研究人員能夠在一個(gè)平臺(tái)上連接128個(gè)量子比特。萬和他的同事們說，這些量子比特穩(wěn)定且壽命長，它們的發(fā)射可以在電路內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生光譜上無法區(qū)分的光子。

模塊化方法

盡管該平臺(tái)提供了一種可擴(kuò)展的過程來生產(chǎn)人造原子光子芯片，但下一步將是“打開它”，即測(cè)試其處理能力。

萬說：“這是固態(tài)量子比特發(fā)射器是非?？蓴U(kuò)展的量子技術(shù)的概念證明。” “為了處理量子信息，下一步將是控制這些大量的量子位，并引起它們之間的相互作用?！?/p>

這種芯片設(shè)計(jì)中的量子位不必一定是這些特定的鉆石色中心。其他芯片設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇其他類型的鉆石色心，其他半導(dǎo)體晶體（如碳化硅）中的原子缺陷，某些半導(dǎo)體量子點(diǎn)或晶體中的稀土離子。

陸說，“由于集成技術(shù)是混合的和模塊化的，因此我們可以選擇適合每個(gè)組件的最佳材料，而不是僅僅依靠一種材料的自然屬性，從而使我們能夠?qū)⒚糠N不同材料的最佳屬性組合到一個(gè)系統(tǒng)中。”

研究團(tuán)隊(duì)表示，找到一種方法來實(shí)現(xiàn)這一過程的自動(dòng)化，并證明與調(diào)制器和檢測(cè)器之類的光電組件進(jìn)一步集成，對(duì)于制造更大的芯片是模塊化量子計(jì)算機(jī)和長距離傳輸量子比特的多通道量子中繼器所必需的。

參考：Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits, Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2441-3, www.nature.com/articles/s41586-020-2441-3