放大光子电路为量子处理器指明道路

2020-07-15 17:31

最近，麻省理工学院（MIT）开发了一种方法，将位于金刚石薄片上的原子级缺陷（即所谓的“人造原子”）集成到更大规模的光子电路中。研究人员称这一突破为可扩展量子处理器领域的转折点，可能为组装用于通用处理器的多路复用量子芯片指明方向。研究结果发表在《自然》杂志上。

量子计算机使用能够同时表示0、1或两者的量子位进行操作，有望令量子计算机能够以一种经典处理器无法匹敌的方式同时执行多个计算。

“开发量子计算机和远程量子网络的一个核心挑战是纠缠在许多单个可控量子位元之间的分布，”麻省理工学院在其发表的论文中指出。

金刚石中的颜色中心——金刚石碳晶格中相邻碳原子缺失的缺陷——被认为是有效的固态人工原子量子位元，可以按需远程纠缠和相干控制其他相关量子位，相干时间持续几分钟。

然而，将大量的人造原子与光子结构集成于一体，制造出大规模的量子信息处理系统，已被证明具有挑战性。

麻省理工学院的Dick Englund表示：“在过去20年的量子工程中，以与集成电子学相当的规模去制造人造量子位系统一直以来都是我们的最终愿景。虽然近几年，这一研究领域取得了显著的进展，但到目前为止，由于制造和材料的复杂性，每个光子系统只能产生2到3个发射器。”

在麻省理工学院设计的芯片中，金刚石晶格结构的缺陷被锗和硅取代，每个中心都像原子一样，自旋状态可以形成一个量子位元。每个量子位元所代表的量子信息随后由它所发射的光子携带。

麻省理工学院的Noel Wan评论说：“这个平台的瓶颈实际上是建立一个可以扩展到成千上万个量子位元的系统和设备架构。不必要的污染会影响重要的量子特性，比如相干时间，而晶体内部的变化会导致量子位元彼此不同，令系统扩展变得困难。

麻省理工学院通过开发一种被称为“混合方法”的定制制造操作来解决这个问题，在这种方法中，研究人员精心挑选，把包含多个钻石量子位元的量子微晶片被放置在氮化铝光子集成电路上。

Wan说：“我们使用半导体制造技术制造这些小的金刚石芯片，其中我们只选择最高质量的量子位模组。然后，我们将这些小芯片一块一块地集成到另一块芯片上，再将这些小芯片连接到一个更大的设备中。”

利用这种混合方法，麻省理工学院在氮化铝平台上构建了一个128位无缺陷的锗空位和硅空位色心阵列，据说这是迄今为止最大的集成人工原子光子学芯片。

Wan说：“这是一个概念的证明，即固态量子比特发射器是伸缩性非常高的量子技术，为了处理量子信息，下一步将是控制这些大量的量子位元，并诱导它们之间发生相互作用。”

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