资讯 | MIT团队成功制造出128量子比特芯片

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麻省理工学院研究人员制造了一个128量子比特的芯片，这是迄今为止规模最大集成人工原子的光子学芯片。该新芯片中的量子比特是由金刚石缺陷制成的人造原子，通过集成光子电路，可以利用可见光和微波激发操控量子比特，并发射携带量子信息的光子。构建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方法的可行性，标志着可扩展量子处理器领域的转折点。

此项研究成果以“Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits”为题，发表在近期的《Nature》杂志上[Nature 583, 226–231(2020)]。

与传统计算机使用0和1表示比特来处理和存储信息不同，量子计算机使用量子比特（Qubit）来进行运算。量子比特可以同时表示0、1或两者叠加。这种特殊的量子叠加性可以并行多个计算，运算速度指数级增加，可以解决经典计算机难以解决的特殊问题。

金刚石色心由碳晶格中的缺陷组成，这些缺陷通常由不同的元素填充，并缺少相邻的碳原子。金刚石色心具有良好的光学和电子学特性，是具有潜力的固态量子计算机候选体系。尽管利用金刚石色心作为量子比特的研究已经取得了一定的成果，但迄今为止仍然没有大规模的量子计算系统出现。

MIT研究人员没有尝试直接使用金刚石制造更大的芯片，而是采用模块化方法进行量子比特的扩展。研究人员使用半导体制造技术来制造金刚石小芯片（量子微芯片QMC），从中选择质量最高的量子比特模块，然后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”到更大的混合模块化芯片（光子集成电路PIC）中。这个过程使用的光子集成电路，类似于传统的集成电路，但通过光子代替电子来携带信息进行传递。

光子学提供了低损电路组件中的光子线路和开关作为底层架构。为了防止传统的硅基对可见光的吸收，采用氮化铝作为集成光子电路平台。使用这种方法，研究人员在一个氮化铝平台上连接了128个量子比特，并证明了该量子比特系统稳定且寿命长，它们的发射可以在电路中进行调谐，从而产生光谱上无法分辨的光子。

量子光子芯片及其组装过程的渲染图。图像的下半部分显示的是一个运行中的量子微芯片（QMC），该芯片发出单光子脉冲用于传输和操纵该光子集成电路（PIC）。图像的上半部分展示了该芯片的制造方法：即先分别制造出金刚石QMC，然后再集成到 PIC 上。

图源：https://news.mit.edu/2020/scaling-quantum-chip-0708

这项研究证明了固态量子比特发射器是可扩展的量子技术，是实现多路复用量子中继器乃至通用量子计算机探索道路上前进的重要一步。由于集成技术是混合模块化的，芯片设计的量子比特不一定必须是这些特定的金刚石色心，可以根据不同材料选出最佳组合。寻找自动化的方法实现这一过程，并且进一步证明调制器和探测器等光电元件之间的相互作用，对制造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需的更大芯片具有重要作用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2441-3#citeas

金刚石NV色心是一种热门的金刚石色心，具有初态是量子纯态、自旋量子相干时间长、量子操控能力强大、量子塌缩测量实验结果直观等独特优势，是优秀的量子计算候选体系。

国仪量子基于NV色心和光探测磁共振（ODMR）技术发布了金刚石量子计算教学机和量子钻石单自旋谱仪两款具备量子计算功能的产品。

左：金刚石量子计算教学机 右：量子钻石单自旋谱仪

金刚石量子计算教学机是一台基于金刚石中NV色心和自旋磁共振为原理，通过对NV色心的自旋进行量子操控和读出，从而实现量子计算功能的教学仪器。该仪器可以提供完整的基于金刚石NV体系的量子计算教学和实验内容，从基础的量子力学实验到量子计算算法实验，帮助和促进高校、科研机构提高学科水平和教学质量的相关工作。

量子钻石单自旋谱仪具备高保真度量子自旋态调控技术，通过自主研发的50 ps 时间精度脉冲发生器以及宽带高功率微波调制器件，能够实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控用于量子计算。此外该谱仪还具有超高灵敏度与纳米级超高分辨率，可以完成单分子、单细胞的微观磁共振谱学和成像。与谱仪配套的高智能化控制与信号采集软件，能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验，是科研实验的最好搭档。

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