“量子片上系统”：量子计算机的模块化、可扩展的硬件体系结构

一种新的量子片上系统能够有效地控制大量量子比特，朝着实用的量子计算迈进。

量子计算机有望快速解决极其复杂的问题，而这些问题可能需要世界上最强大的超级计算机几十年才能破解。

但要实现这种性能，需要构建一个由数百万个相互连接的构件组成的系统，这些构件被称为量子比特。在一个硬件架构中制造和控制如此多的量子位是一个巨大的挑战，世界各地的科学家都在努力应对。

为了实现这一目标，麻省理工学院和MITRE的研究人员展示了一个可扩展的模块化硬件平台，该平台将数千个相互连接的量子比特集成到定制集成电路上。这种“量子片上系统”（QSoC）架构使研究人员能够精确地调整和控制密集的量子位阵列。多个芯片可以通过光网络连接起来，创建一个大规模的量子通信网络。

通过在11个频率通道上调谐量子位，这种QSoC架构为大规模量子计算提供了一种新的“纠缠复用”协议。

该团队花了数年时间完善一个复杂的工艺，以制造原子大小的量子比特微芯片的二维阵列，并将数千个量子比特微芯片转移到精心准备的互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片上。这种传输可以在一个步骤中完成。

“我们将需要大量的量子比特，并对它们进行很好的控制，才能真正利用量子系统的力量并使其发挥作用。我们提出了一种全新的架构和制造技术，可以支持量子计算机硬件系统的可扩展性要求，”电子工程和计算机科学（EECS）研究生、该架构论文的主要作者林森·李（Linsen Li）说。

李的合著者包括EECS副教授，太赫兹集成电子小组负责人，电子研究实验室（RLE）成员韩若南（音译）；资深作者德克·英昂特（Dirk Englund），EECS教授，量子光子学与人工智能组和RLE首席研究员；以及麻省理工学院、康奈尔大学、代尔夫特理工学院、美国陆军研究实验室和MITRE公司的其他研究人员。这篇论文今天发表在《自然》杂志上。

钻石微芯片

虽然有许多类型的量子比特，但研究人员选择使用钻石色心，因为它们具有可扩展性优势。他们之前使用这种量子位制造了带有光子电路的集成量子芯片。

由钻石色心制成的量子比特是携带量子信息的“人造原子”。由于钻石色心是固态系统，量子比特制造与现代半导体制造工艺兼容。它们也很紧凑，并且具有相对较长的相干时间，这是指由于金刚石材料提供的清洁环境，量子位的状态保持稳定的时间。

此外，钻石色心具有光子接口，这使得它们可以与不相邻的其他量子比特远程纠缠或连接。

“该领域的传统假设是，与离子和中性原子等相同的量子存储器相比，钻石色心的不均匀性是一个缺点。然而，我们通过拥抱人工原子的多样性，将这一挑战转化为优势：每个原子都有自己的光谱频率。这使我们能够通过电压调谐使它们与激光共振来与单个原子通信，就像调节微型收音机上的刻度盘一样，”德克·英昂特说。

这尤其困难，因为研究人员必须在大规模上实现这一点，以补偿大型系统中的量子比特不均匀性。

为了跨量子位通信，他们需要将多个这样的“量子无线电”拨入同一频道。当扩展到数千个量子位时，实现这一条件几乎是肯定的。为此，研究人员通过将大量钻石色心量子比特集成到提供控制刻度盘的CMOS芯片上，克服了这一挑战。该芯片可以集成内置数字逻辑，快速自动地重新配置电压，使量子位达到完全连接。

林森·李解释说：“这弥补了系统的非同质性。利用CMOS平台，我们可以快速动态地调整所有量子位频率。”

Lock-and-release 制造

为了构建这种QSoC，研究人员开发了一种制造工艺，将钻石色心“微晶片”大规模转移到CMOS背板上。

他们首先用一块实心钻石制造了一组钻石色心微晶片。他们还设计并制造了纳米级光学天线，使这些色心量子比特在自由空间中发射的光子能够更有效地收集。

然后，他们从半导体代工厂设计并绘制了芯片。在麻省理工学院工作。在纳米洁净室中，他们对CMOS芯片进行了后处理，添加了与钻石微芯片阵列相匹配的微型插座。

他们在实验室里建立了一个内部转移装置，并通过将金刚石微晶片锁定到CMOS芯片上的插座上，应用了Lock-and-release过程来集成两层。由于金刚石微晶片与金刚石表面的结合很弱，当它们水平释放大块金刚石时，微晶片会留在齿槽中。

“因为我们可以控制金刚石和CMOS芯片的制造，所以我们可以制作互补的图案。通过这种方式，我们可以同时将数千颗钻石晶片转移到相应的插槽中，”李说。

研究人员展示了一个具有1024个钻石纳米天线的阵列的500微米乘500微米的面积转移，但他们可以使用更大的钻石阵列和更大的CMOS芯片来进一步扩大系统规模。事实上，他们发现，使用更多的量子位，调谐频率实际上需要更少的电压来实现这种架构。

“在这种情况下，如果你有更多的量子比特，我们的架构将工作得更好，”李说。

在确定锁定和释放过程的理想微晶片阵列之前，研究小组测试了许多纳米结构。然而，制造量子微芯片并非易事，这一过程需要数年时间才能完善。

“我们已经迭代和开发了在麻省理工学院洁净室制造这些钻石纳米结构的配方，但这是一个非常复杂的过程。要获得钻石量子微晶片需要19个纳米加工步骤，而且这些步骤并不简单，”他补充道。

除了他们的QSoC，研究人员还开发了一种方法来描述系统并大规模测量其性能。为了做到这一点，他们建立了一个定制的低温光学计量装置。

利用这种技术，他们展示了一个拥有超过4000个量子比特的完整芯片，可以在保持自旋和光学特性的同时调整到相同的频率。他们还建立了一个数字孪生仿真，将实验与数字化建模联系起来，这有助于他们了解观察到的现象的根本原因，并确定如何有效地实现该架构。

未来，研究人员可以通过改进用于制造量子比特的材料，或开发更精确的控制过程来提高系统的性能。他们还可以将这种架构应用于其他固态量子系统。

这项工作得到了MITRE公司量子登月计划、美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室、量子网络中心和欧盟地平线2020研究与创新计划的支持。

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