集成数千原子量子比特的半导体芯片问世，为创建大规模量子通信网络奠定基础
科技日报记者 张梦然
美国麻省理工学院和MITRE公司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电路上。这种量子片上系统（QSoC）架构能精确调谐和控制密集的量子比特阵列。多个芯片可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。研究论文发表在近期的《自然》杂志上。
一种模块化制造工艺可用于生产“量子片上系统”，该系统能将人造原子量子比特阵列集成到半导体芯片上。
图片来源：麻省理工学院电子研究实验室
由金刚石色心制成的量子比特，是携带量子信息的“人造原子”。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。
为了构建QSoC，团队开发了一种制造工艺，将金刚石色心“微芯片”大规模转移到CMOS（互补金属氧化物半导体）背板上。他们首先用一块实心金刚石制作出金刚石色心微芯片阵列，还设计并制作了纳米级光学天线，以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，并在洁净室中对CMOS芯片进行后处理，添加与金刚石微芯片阵列相匹配的微尺度插槽。
团队在实验室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，方法是将金刚石微芯片锁定在CMOS芯片的插槽中。由于金刚石微芯片与金刚石表面的结合力较弱，当他们水平释放大块金刚石时，微芯片会留在插槽中。
团队展示了一个500微米×500微米的区域转移，该转移区域包含1024个金刚石纳米天线阵列，但他们可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，随着量子比特的增多，这种架构下调整频率所需的实际电压更小。
利用这项技术，团队展示了一个拥有超过4000个量子比特的完整芯片，这些量子比特可调整到相同的频率，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型，将实验与数字化建模联系起来，这有助于他们了解所观察现象的根本原因，并确定如何有效地实现架构。
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