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集成數(shù)千原子量子比特的半導(dǎo)體芯片問世
美國麻省理工學(xué)院和MITRE公司展示了一個可擴(kuò)展的模塊化硬件平臺,該平臺將數(shù)千個互連的量子比特集成到定制的電路上。這種量子片上系統(tǒng)(QSoC)架構(gòu)能精確調(diào)諧和控制密集的量子比特陣列。多個芯片可通過光網(wǎng)絡(luò)連接起來,從而創(chuàng)建一個大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)。研究論文發(fā)表在近期的《自然》雜志上。
由金剛石色心制成的量子比特,是攜帶量子信息的“人造原子”。通過在11個頻率通道上調(diào)整量子比特,該QSoC架構(gòu)允許為大規(guī)模量子計(jì)算提出一種新的“糾纏復(fù)用”協(xié)議。
為了構(gòu)建QSoC,團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種制造工藝,將金剛石色心“微芯片”大規(guī)模轉(zhuǎn)移到CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)背板上。他們首先用一塊實(shí)心金剛石制作出金剛石色心微芯片陣列,還設(shè)計(jì)並制作了納米級光學(xué)天線,以更有效地收集這些色心量子比特在自由空間中發(fā)射的光子。然后,他們在半導(dǎo)體代工廠設(shè)計(jì)並規(guī)劃出芯片,並在潔淨(jìng)室中對CMOS芯片進(jìn)行后處理,添加與金剛石微芯片陣列相匹配的微尺度插槽。
團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室建立了一個內(nèi)部傳輸裝置,並應(yīng)用鎖定和釋放流程將兩層集成在一起,方法是將金剛石微芯片鎖定在CMOS芯片的插槽中。由於金剛石微芯片與金剛石表面的結(jié)合力較弱,當(dāng)他們水平釋放大塊金剛石時(shí),微芯片會留在插槽中。
團(tuán)隊(duì)展示了一個500微米×500微米的區(qū)域轉(zhuǎn)移,該轉(zhuǎn)移區(qū)域包含1024個金剛石納米天線陣列,但他們可使用更大的金剛石陣列和更大的CMOS芯片來進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模。事實(shí)上,隨著量子比特的增多,這種架構(gòu)下調(diào)整頻率所需的實(shí)際電壓更小。
利用這項(xiàng)技術(shù),團(tuán)隊(duì)展示了一個擁有超過4000個量子比特的完整芯片,這些量子比特可調(diào)整到相同的頻率,同時(shí)保持其自旋和光學(xué)特性。他們還構(gòu)建了一個數(shù)字孿生模型,將實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化建模聯(lián)系起來,這有助於他們了解所觀察現(xiàn)象的根本原因,並確定如何有效地實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。(記者張夢然)
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