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“人造原子”工藝攻克難關(guān),超大規(guī)模光子學(xué)芯片誕生

 本溪老劉azr7z5 2020-07-18


       與非網(wǎng) 7 月 14 日訊,麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種制造和整合“人造原子”的工藝,這種工藝由鉆石的微觀薄片中的原子級缺陷產(chǎn)生,并帶有光電集成技術(shù)電路,從而生產(chǎn)出同類最大的量子芯片。該最新研究成果論文,題為:”混合光子電路中人工原子的大規(guī)模集成“,發(fā)表在今天的《自然》雜志上。

       論文第一與第二作者與通訊作者為華人博士生學(xué)者:諾埃爾·萬(Noel H. Wan)、陸宗舉(Tsung-Ju Lu)。論文主導(dǎo)作者、麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系教授、德克·恩格隆德(Dirk Englund)說,這項成就“標(biāo)志著可伸縮量子處理器領(lǐng)域的轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。建造量子計算機(jī)將需要數(shù)百萬個量子處理器,這項新的研究證明了擴(kuò)大處理器生產(chǎn)規(guī)模的可行方法。

                             

       圖:此圖描繪了量子光子芯片及其組裝過程的程式化渲染。圖像的下半部分顯示了一個起作用的量子微小芯片(QMC),該芯片發(fā)出單光子脈沖,該脈沖在光子集成電路(PIC)上進(jìn)行路由和操縱。圖像的上半部分顯示了該芯片的制造方法:鉆石 QMC 分別制造,然后轉(zhuǎn)移到 PIC 中。

       圖源:Noel H Wan

       “比特”是計算機(jī)科學(xué)的基本概念,指的是一個體系有且僅有兩個可能的狀態(tài),一般用“0”和“1”來表示。典型的例子,如硬幣的正、反兩個面或者開關(guān)的開、關(guān)兩個狀態(tài)。但在量子力學(xué)中,情況出現(xiàn)了本質(zhì)的不同。量子力學(xué)有一條基本原理叫做“疊加原理”:如果兩個狀態(tài)是一個體系允許出現(xiàn)的狀態(tài),那么它們的任意線性疊加也是這個體系允許出現(xiàn)的狀態(tài)。從兩個選擇到無窮多個選擇,這是個巨大的擴(kuò)展。顯然,一個量子比特包含比一個經(jīng)典比特大得多的信息量。

       這種新芯片中的量子位是由鉆石中的缺陷制成的人造原子,可以用可見光和微波來驅(qū)使它們發(fā)出攜帶量子信息的光子。研究團(tuán)隊在《自然》雜志上描述的過程是一種混合方法,其中將精心挑選的包含多個基于鉆石的量子位的“量子微芯片”放置在氮化鋁光子集成電路上。

       芯片的質(zhì)量控制使用他們的混合方法,恩格隆德及其同事能夠構(gòu)建一個 128 量子位的系統(tǒng),這是迄今為止最大的集成人工原子光子學(xué)芯片。

       芯片的質(zhì)量控制

       色心是指透明晶體中由點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷對或點(diǎn)缺陷群捕獲電子或空穴而構(gòu)成的一種缺陷。

       小芯片中的人造原子由鉆石的色心,鉆石的碳晶格中相鄰的碳原子缺失的缺陷組成,它們的空間由不同的元素填充或空著。在 MIT 小芯片中,替換元素是鍺和硅。每個中心起著原子狀發(fā)射器的作用,其自旋狀態(tài)可以形成一個量子比特。人造原子發(fā)出帶有光或光子的彩色粒子,這些粒子攜帶著量子位表示的量子信息。

       萬解釋說,鉆石色中心構(gòu)成了良好的固態(tài)量子位,但是“此平臺的瓶頸實(shí)際上是在構(gòu)建可擴(kuò)展到成千上萬個量子位的系統(tǒng)和設(shè)備架構(gòu)”。人造原子在固態(tài)晶體中,不需要的污染會影響重要的量子性質(zhì),如相干時間。此外,晶體內(nèi)的變化會導(dǎo)致量子位彼此不同,因此很難縮放這些系統(tǒng)?!?/p>

       量子芯片的研制比傳統(tǒng)芯片的研制更加艱辛。不僅要攻關(guān)量子芯片工藝制程,更要持續(xù)不斷地改進(jìn)量子芯片的原理設(shè)計。但是未來之路,從不容易,全球都在戰(zhàn)略布局,爭奪未來量子計算的制高點(diǎn),這一領(lǐng)域,中國不能輸。未來的中國量子芯,也是眼前的量子軍備戰(zhàn)。

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