放大量子芯片：麻省理工学院的工程师将光子学与“人工原子”联系起来

此图描绘了量子光子芯片及其组装过程的程式化渲染。图像的下半部分显示了一个起作用的量子微小芯片（QMC），该芯片发出单光子脉冲，该脉冲在光子集成电路（PIC）上进行路由和操纵。该图像的上半部分显示了该芯片的制造方法：钻石QMC分别制造，然后转移到PIC中。

麻省理工学院的工程师开发了一种将光子学与“人造原子”连接起来的混合工艺，以生产出同类同类最大的量子芯片。

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种制造和整合“人造原子”的工艺，该工艺是由钻石的微观薄片中原子级缺陷产生的，具有光子电路，可以生产出同类最大的量子芯片。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系副教授Dirk Englund说，这项成就“标志着可伸缩量子处理器领域的转折点”。他和他的同事指出，建造量子计算机将需要数百万个量子处理器，这项新的研究证明了扩大处理器生产规模的可行方法。

与传统计算机使用0和1表示的位来处理和存储信息不同，量子计算机使用量子位或qubit（可以同时表示0、1或两者）来操作。这种奇怪的特性使量子计算机可以同时执行多个计算，从而解决了传统计算机难以解决的问题。

新芯片中的量子位是由钻石中的缺陷制成的人造原子，可以用可见光和微波来驱使它们发出携带量子信息的光子。Englund和他的团队在《自然》杂志上描述的过程是一种混合方法，其中将精心挑选的包含多个基于钻石的量子比特的“量子微芯片”放置在氮化铝光子集成电路上。

Englund说：“在过去的20年量子工程中，制造与人造电子产品相当的人造qubit系统一直是最终的愿景。“尽管在这一非常活跃的研究领域取得了显着进展，但到目前为止，制造和材料复杂性使每个光子系统仅产生两到三个发射器。”

使用他们的混合方法，Englund及其同事能够构建一个128量子位的系统，这是迄今为止最大的集成人工原子光子学芯片。

哈佛大学电气工程系田天赛教授，没有参与这项研究的马克·隆萨尔（MarkoLončar）说：“就技术而言，这非常令人兴奋。”“他们能够在光子平台上获得稳定的发射器，同时保持非常好的量子记忆。”

Nature论文的其他作者包括MIT研究人员Noel H. Wan，Tsung-Ju Lu，Kevin C.Chen，Michael P.Walsh，Matthew E.Trusheim，Lorenzo De Santis，Eric A.Bersin，Isaac B.Harris，Sara L Mouradian和Ian R. Christen；与Sandia国家实验室的Edward S. Bielejec合作。

小芯片的质量控制

小芯片中的人造原子由钻石的色心，钻石的碳晶格中的缺陷组成，这些缺陷缺少相邻的碳原子，它们的空间由不同的元素填充或空着。在MIT小芯片中，替换元素是锗和硅。每个中心起着原子状发射器的作用，其自旋态可以形成一个量子比特。人造原子发出带有光或光子的有色粒子，这些粒子携带着由量子位表示的量子信息。

Wan解释说，钻石色中心构成了良好的固态量子位，但是“此平台的瓶颈实际上是在构建可扩展到成千上万个量子位的系统和设备架构”。人造原子在固态晶体中，不需要的污染会影响重要的量子性质，如相干时间。此外，晶体内的变化会导致量子位彼此不同，因此很难缩放这些系统。

研究人员决定采用模块化和混合方法，而不是尝试完全用钻石构建大型量子芯片。“我们使用半导体制造技术来制造这些小的钻石小芯片，从中我们仅选择质量最高的量子比特模块，” Wan说。“然后，我们将这些小芯片逐个集成到另一个芯片中，从而将这些小芯片'连接'到更大的设备中。”

积分在光子集成电路上进行，该光子集成电路类似于电子集成电路，但使用光子而不是电子来承载信息。光子学提供了底层架构，可在电路中的模块之间以低损耗路由和切换光子。电路平台是氮化铝，而不是某些集成电路的传统硅。

钻石的色心在可见光谱中发出。但是，传统的硅会吸收可见光，这就是为什么我们将氮化铝用于我们的光子学平台的原因，因为在这种情况下它是透明的。“此外，氮化铝可以支持在低温下起作用的光子开关，我们在该温度下运行该光子开关来控制我们的色心。”

使用这种光子电路和钻石小芯片的混合方法，研究人员能够在一个平台上连接128个量子比特。万和他的同事们说，这些量子比特是稳定且寿命长的，它们的发射可以在电路内进行调节，以产生光谱上无法区分的光子。

模块化方法

尽管该平台提供了可扩展的生产人造原子光子芯片的过程，但下一步将是“打开它”，可以说是测试其处理技能。

Wan说：“这是固态量子比特发射器是非常可扩展的量子技术的概念证明。”“为了处理量子信息，下一步将是控制这些大量的量子位，并诱导它们之间的相互作用。”

这种芯片设计的量子位不一定非要是这些特定的钻石色心。其他芯片设计人员可能会选择其他类型的钻石色心，其他半导体晶体（如碳化硅）中的原子缺陷，某些半导体量子点或晶体中的稀土离子。“由于集成技术是混合的和模块化的，因此我们可以选择适合每个组件的最佳材料，而不是仅仅依靠一种材料的自然属性，从而使我们可以将每种不同材料的最佳属性组合到一个系统中，”鲁。

研究人员说，找到一种方法来实现这一过程的自动化，并证明与调制器和检测器之类的光电组件进一步集成，对于制造更大的芯片是模块化量子计算机和长距离传输量子比特的多通道量子中继器所必需的。

参考：Noel H. Wan，Tsung-Ju Lu，Kevin C. Chen，Michael P. Walsh，Matthew E. Trusheim，Lorenzo De Santis，Eric A. Bersin，Isaac B撰写的“混合光子电路中的人造原子的大规模集成”哈里斯，萨拉·穆拉迪安，伊恩·克里斯汀，爱德华·S·比勒耶茨和德克·恩格隆德，2020年7月8日，自然。
10.1038 / s41586-020-2441-3