半导体芯片集成了数千个原子量子比特，为建立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，该平台在定制电路上集成了数千个相互连接的量子比特。这样的量子片系统（QSoC）量子比特阵列的结构可以精确协调和控制密集。这样的量子片系统（QSoC）量子比特阵列的结构可以精确协调和控制密集。多个芯片可以通过光网连接，从而创建大规模的量子通信网络。最近发表在《自然》杂志上的研究论文。

一种模块化制造工艺可以用来生产“量子片上系统”，它可以将人工原子量子比特阵列集成到半导体芯片中。

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，是一种“人造原子”，携带量子信息。QSoC架构允许通过在11个频率通道上调整量子比特，为大规模量子计算提出新的“纠缠复用”协议。

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)的背板上，以构建QSoC。首先，他们用实心钻石制作了钻石色心微芯片阵列，并设计和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。随后，他们在半导体代工厂设计和规划芯片，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。

该团队在实验室建立了一个内部传输装置，并利用锁定和释放过程将两层整合在一起。方法是将金刚石微芯片锁定在CMOS芯片的插槽中。因为金刚石微芯片与金刚石表面的结合力较弱，当它们水平释放大块金刚石时，微芯片会留在插槽中。

这个团队展示了一个500微米×500微米的区域转移，包括1024个金刚石纳米天线阵列，但是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。实际上，随着量子比特的增加，这种结构下调节频率所需的实际电压更小。

利用这项技术，团队展示了一个完整的芯片，拥有4000多个量子比特，可以调整到相同的频率，同时保持其自旋转和光学特性。他们还建立了一个数字孪生模型，将实验与数字建模联系起来，这有助于他们了解观察现象的根本原因，并决定如何有效地实现结构。