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)院電氣工程與計算機科學(xué)系教授、德克·恩格隆德（Dirk Englund）說，這項成就“標(biāo)志著可伸縮量子處理器領(lǐng)域的轉(zhuǎn)折點”。建造量子計算機將需要數(shù)百萬個量子處理器，這項新的研究證明了擴大處理器生產(chǎn)規(guī)模的可行方法。

與傳統(tǒng)計算機使用0和1表示的位處理和存儲信息不同，量子計算機使用可以同時表示0、1或兩者的量子位來運行。這種奇怪的特性使量子計算機可以同時執(zhí)行多個計算，從而解決了傳統(tǒng)計算機難以解決的問題。

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。研究團隊在《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)域取得了顯著進展，但迄今為止，制造和材料復(fù)雜性使每個光子系統(tǒng)僅產(chǎn)生兩到三個發(fā)射器。”

使用他們的混合方法，恩格隆德及其同事能夠構(gòu)建一個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“此平臺的瓶頸實際上是在構(gòu)建可擴展到成千上萬個量子位的系統(tǒng)和設(shè)備架構(gòu)。” “人造原子在固態(tài)晶體中，不希望有的污染會影響重要的量子性質(zhì)，如相干時間。此外，晶體內(nèi)部的變化會導(dǎo)致量子位彼此不同，因此很難縮放這些系統(tǒng)。”

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集成到另一個芯片中，從而將這些小芯片“連接”到更大的設(shè)備中。”

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平臺上連接128個量子比特。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

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

萬說：“這是固態(tài)量子比特發(fā)射器是非常可擴展的量子技術(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。”

這種芯片設(shè)計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)計人員可能會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系統(tǒng)中。”

研究團隊表示，找到一種方法來實現(xiàn)這一過程的自動化，并證明與調(diào)制器和檢測器之類的光電組件進一步集成，對于制造更大的芯片是模塊化量子計算機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