科学|“人造原子”工艺攻克难关，超大规模光子学芯片诞生
与非网 7 月 14 日讯 ， 麻省理工学院的研究人员开发出了一种制造和整合“人造原子”的工艺 ， 这种工艺由钻石的微观薄片中的原子级缺陷产生 ， 并带有光电集成技术电路 ， 从而生产出同类最大的量子芯片 。 该最新研究成果论文 ， 题为：”混合光子电路中人工原子的大规模集成“ ， 发表在今天的《自然》杂志上 。
论文第一与第二作者与通讯作者为华人博士生学者：诺埃尔·万（Noel H. Wan）、陆宗举（Tsung-Ju Lu） 。 论文主导作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系教授、德克·恩格隆德（Dirk Englund）说 ， 这项成就“标志着可伸缩量子处理器领域的转折点” 。 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 。
本文插图
图：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 。 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 。
图源：Noel H Wan
“比特”是计算机科学的基本概念 ， 指的是一个体系有且仅有两个可能的状态 ， 一般用“0”和“1”来表示 。 典型的例子 ， 如硬币的正、反两个面或者开关的开、关两个状态 。 但在量子力学中 ， 情况出现了本质的不同 。 量子力学有一条基本原理叫做“叠加原理”：如果两个状态是一个体系允许出现的状态 ， 那么它们的任意线性叠加也是这个体系允许出现的状态 。 从两个选择到无穷多个选择 ， 这是个巨大的扩展 。 显然 ， 一个量子比特包含比一个经典比特大得多的信息量 。
这种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 。 研究团队在《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位的“量子微芯片”放置在氮化铝光子集成电路上 。
芯片的质量控制使用他们的混合方法 ， 恩格隆德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 。
芯片的质量控制
色心是指透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种缺陷 。
小芯片中的人造原子由钻石的色心 ， 钻石的碳晶格中相邻的碳原子缺失的缺陷组成 ， 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 ， 其自旋状态可以形成一个量子比特 。 人造原子发出带有光或光子的彩色粒子 ， 这些粒子携带着量子位表示的量子信息 。
万解释说 ， 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 。 ”
【科学|“人造原子”工艺攻克难关，超大规模光子学芯片诞生】量子芯片的研制比传统芯片的研制更加艰辛 。 不仅要攻关量子芯片工艺制程 ， 更要持续不断地改进量子芯片的原理设计 。 但是未来之路 ， 从不容易 ， 全球都在战略布局 ， 争夺未来量子计算的制高点 ， 这一领域 ， 中国不能输 。 未来的中国量子芯 ， 也是眼前的量子军备战 。
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