Opskalering af kvantechippen

MIT-forskere har udviklet en proces til at fremstille og integrere "kunstige atomer, "skabt af atomare defekter i mikroskopisk tynde skiver af diamant, med fotoniske kredsløb, producerer den største kvantechip af sin type.

Præstationen "markerer et vendepunkt" inden for skalerbare kvanteprocessorer, siger Dirk Englund, en lektor i MIT's afdeling for elektroteknik og datalogi. Millioner af kvanteprocessorer vil være nødvendige for at bygge kvantecomputere, og den nye forskning viser en levedygtig måde at opskalere processorproduktion på, konstaterer han og hans kolleger.

I modsætning til klassiske computere, som behandler og lagrer information ved hjælp af bits repræsenteret af enten 0'er og 1'er, kvantecomputere bruger kvantebit, eller qubits, som kan repræsentere 0, 1, eller begge dele på samme tid. Denne mærkelige egenskab giver kvantecomputere mulighed for samtidigt at udføre flere beregninger, løse problemer, der ville være vanskelige for klassiske computere.

Qubitterne i den nye chip er kunstige atomer lavet af defekter i diamant, som kan tilføres synligt lys og mikrobølger for at udsende fotoner, der bærer kvanteinformation. Processen, som Englund og hans team beskriver i Natur , er en hybrid tilgang, hvor omhyggeligt udvalgte "kvantemikrochipletter" indeholdende flere diamantbaserede qubits placeres på et fotonisk integreret aluminiumnitridkredsløb.

"I de sidste 20 år med kvanteteknik, det har været den ultimative vision at fremstille sådanne kunstige qubit -systemer i mængder, der kan sammenlignes med integreret elektronik, ", siger Englund. "Selvom der er sket bemærkelsesværdige fremskridt inden for dette meget aktive forskningsområde, fremstilling og materialekomplikationer har hidtil kun givet to til tre emittere pr. fotonisk system. "

Ved at bruge deres hybridmetode, Englund og kolleger var i stand til at bygge et 128-qubit-system - den hidtil største integrerede kunstige atom-fotonik-chip.

Kvalitetskontrol for chiplets

De kunstige atomer i chiplets består af farvecentre i diamanter, defekter i diamantens kulstofgitter, hvor tilstødende kulstofatomer mangler, med deres pladser enten fyldt med et andet element eller efterladt ledige. I MIT-chiplets, erstatningselementerne er germanium og silicium. Hvert center fungerer som en atomlignende emitter, hvis spin-tilstande kan danne en qubit. De kunstige atomer udsender farvede partikler af lys, eller fotoner, der bærer kvanteinformationen repræsenteret af qubit.

Diamantfarvecentre giver gode solid-state qubits, men "flaskehalsen med denne platform er faktisk at bygge en system- og enhedsarkitektur, der kan skaleres til tusinder og millioner af qubits, Wan forklarer. "Kunstige atomer er i en fast krystal, og uønsket forurening kan påvirke vigtige kvanteegenskaber såsom kohærenstider. Desuden, variationer i krystallen kan få qubits til at være forskellige fra hinanden, og det gør det svært at skalere disse systemer."

I stedet for at prøve at bygge en stor kvantechip helt i diamant, forskerne besluttede at tage en modulær og hybrid tilgang. "Vi bruger halvlederfremstillingsteknikker til at lave disse små brikker af diamant, hvorfra vi kun vælger qubit-moduler af højeste kvalitet, "siger Wan." Så integrerer vi disse chiplets stykke for stykke i en anden chip, der "leder" chiplets sammen til en større enhed. "

Integrationen foregår på et fotonisk integreret kredsløb, som er analogt med et elektronisk integreret kredsløb, men bruger fotoner frem for elektroner til at bære information. Fotonik giver den underliggende arkitektur til at rute og skifte fotoner mellem moduler i kredsløbet med lavt tab. Kredsløbsplatformen er aluminiumnitrid, snarere end det traditionelle silicium i nogle integrerede kredsløb.

Ved at bruge denne hybride tilgang af fotoniske kredsløb og diamantchiplets, forskerne var i stand til at forbinde 128 qubits på én platform. Qubits er stabile og langlivede, og deres emissioner kan tunes inde i kredsløbet for at producere spektralt udskillelige fotoner, ifølge Wan og kolleger.

En modulær tilgang

Mens platformen tilbyder en skalerbar proces til fremstilling af kunstige atom-fotonik-chips, det næste skridt vil være at "tænde den, " så at sige, for at teste sine forarbejdningsevner.

"Dette er et bevis på, at solid-state qubit-emittere er meget skalerbare kvanteteknologier, " siger Wan. "For at behandle kvanteinformation, Det næste skridt ville være at kontrollere disse store antal qubits og også inducere interaktioner mellem dem."

Qubits i denne type chipdesign behøver ikke nødvendigvis at være disse særlige diamantfarvecentre. Andre chipdesignere kan vælge andre typer diamantfarvecentre, atomare defekter i andre halvlederkrystaller som siliciumcarbid, visse halvlederkvanteprikker, eller sjældne jordarters ioner i krystaller. "Fordi integrationsteknikken er hybrid og modulær, vi kan vælge det bedste materiale, der passer til hver komponent, snarere end at stole på naturlige egenskaber af kun ét materiale, således at vi kan kombinere de bedste egenskaber af hvert forskelligt materiale i ét system, " siger Lu.

At finde en måde at automatisere processen og demonstrere yderligere integration med optoelektroniske komponenter såsom modulatorer og detektorer vil være nødvendigt for at bygge endnu større chips, der er nødvendige for modulære kvantecomputere og flerkanals kvanterepeatere, der transporterer qubits over lange afstande. siger forskerne.

Andre forfattere på Natur papir omfatter MIT-forskere Noel H. Wan, Tsung-Ju Lu, Kevin C. Chen, Michael P. Walsh, Matthew E. Trusheim, Lorenzo De Santis, Eric A. Bersin, Isaac B. Harris, Sara L. Mouradian og Ian R. Christen; med Edward S. Bielejec på Sandia National Laboratories.