Forskerhold demonstrerer modulær, skalerbar hardwarearkitektur til en kvantecomputer

Kvantecomputere har løftet om hurtigt at kunne løse ekstremt komplekse problemer, som det kan tage verdens mest kraftfulde supercomputer årtier at knække.

Men at opnå denne ydeevne involverer at bygge et system med millioner af indbyrdes forbundne byggeklodser kaldet qubits. At lave og kontrollere så mange qubits i en hardwarearkitektur er en enorm udfordring, som videnskabsmænd over hele verden stræber efter at imødegå.

Mod dette mål har forskere ved MIT og MITER demonstreret en skalerbar, modulær hardwareplatform, der integrerer tusindvis af sammenkoblede qubits på et tilpasset integreret kredsløb. Denne "kvante-system-på-chip" (QSoC) arkitektur gør forskerne i stand til præcist at tune og kontrollere et tæt array af qubits. Flere chips kunne forbindes ved hjælp af optisk netværk for at skabe et storstilet kvantekommunikationsnetværk.

Ved at tune qubits på tværs af 11 frekvenskanaler muliggør denne QSoC-arkitektur en ny foreslået protokol for "entanglement multiplexing" til storskala kvanteberegning.

Holdet brugte år på at perfektionere en indviklet proces til fremstilling af to-dimensionelle arrays af atom-størrelse qubit mikrochiplets og overføre tusindvis af dem til en omhyggeligt forberedt komplementær metal-oxid semiconductor (CMOS) chip. Denne overførsel kan udføres i et enkelt trin.

"Vi får brug for et stort antal qubits, og stor kontrol over dem, for virkelig at udnytte kraften i et kvantesystem og gøre det nyttigt. Vi foreslår en helt ny arkitektur og en fabrikationsteknologi, der kan understøtte skalerbarhedskravene til en hardware. system til en kvantecomputer," siger Linsen Li, en kandidatstuderende i elektroteknik og datalogi (EECS) og hovedforfatter på et papir om denne arkitektur.

Li's medforfattere omfatter Ruonan Han, en lektor i EECS, leder af Terahertz Integrated Electronics Group og medlem af Research Laboratory of Electronics (RLE); seniorforfatter Dirk Englund, professor i EECS, hovedforsker i Quantum Photonics and Artificial Intelligence Group og RLE; samt andre ved MIT, Cornell University, Delft Institute of Technology, Army Research Laboratory og MITER Corporation. Papiret vises i Natur .

Diamond mikrochiplets

Mens der er mange typer qubits, valgte forskerne at bruge diamantfarvecentre på grund af deres skalerbarhedsfordele. De brugte tidligere sådanne qubits til at producere integrerede kvantechips med fotoniske kredsløb.

Qubits lavet af diamantfarvecentre er "kunstige atomer", der bærer kvanteinformation. Fordi diamantfarvecentre er solid state-systemer, er qubit-fremstillingen kompatibel med moderne halvlederfremstillingsprocesser. De er også kompakte og har relativt lange kohærenstider, hvilket refererer til den tid, en qubits tilstand forbliver stabil på grund af det rene miljø, som diamantmaterialet giver.

Derudover har diamantfarvecentre fotoniske grænseflader, som tillader dem at blive viklet ind på afstand eller forbundet med andre qubits, der ikke støder op til dem.

"Den konventionelle antagelse på området er, at diamantfarvecentrets inhomogenitet er en ulempe sammenlignet med identisk kvantehukommelse som ioner og neutrale atomer. Men vi gør denne udfordring til en fordel ved at omfavne mangfoldigheden af ​​de kunstige atomer:Hvert atom har sin egen spektralfrekvens. Dette giver os mulighed for at kommunikere med individuelle atomer ved at spænde dem til resonans med en laser, ligesom at indstille skiven på en lillebitte radio," siger Englund.

Dette er især svært, fordi forskerne skal opnå dette i stor skala for at kompensere for qubit-inhomogeniteten i et stort system.

For at kommunikere på tværs af qubits skal de have flere sådanne "kvanteradioer" opkaldt til den samme kanal. At opnå denne betingelse bliver næsten sikker, når der skaleres til tusindvis af qubits.

Til dette formål overkom forskerne denne udfordring ved at integrere et stort udvalg af diamantfarvecenter-qubits på en CMOS-chip, som leverer kontrolskiverne. Chippen kan inkorporeres med indbygget digital logik, der hurtigt og automatisk omkonfigurerer spændingerne, hvilket gør det muligt for qubits at nå fuld tilslutning.

"Dette kompenserer for systemets inhomogene karakter. Med CMOS-platformen kan vi hurtigt og dynamisk tune alle qubit-frekvenser," forklarer Li.

Lås-og-slip fabrikation

For at bygge denne QSoC udviklede forskerne en fremstillingsproces til at overføre diamantfarvecenter "mikrochiplets" til en CMOS-bagside i stor skala.

De startede med at fremstille en række diamantfarvecentermikrochiplets fra en solid diamantblok. De har også designet og fremstillet optiske antenner i nanoskala, der muliggør en mere effektiv indsamling af de fotoner, der udsendes af disse farvecenter-qubits i frit rum.

Derefter designede og kortlagde de chippen fra halvlederstøberiet. Ved at arbejde i MIT.nano-renrummet efterbehandlede de en CMOS-chip for at tilføje mikroskala-sokler, der matcher diamantmikrochiplet-arrayet.

De byggede en intern overførselsopsætning i laboratoriet og anvendte en lock-and-release-proces til at integrere de to lag ved at låse diamant-mikrochipletterne ind i soklerne på CMOS-chippen. Da diamantmikrochipletterne er svagt bundet til diamantoverfladen, forbliver mikrochipletterne i soklerne, når de frigiver bulkdiamanten horisontalt.

"Fordi vi kan styre fremstillingen af ​​både diamanten og CMOS-chippen, kan vi lave et komplementært mønster. På denne måde kan vi overføre tusindvis af diamantchiplets til deres tilsvarende sokler på samme tid," siger Li.

Forskerne demonstrerede en 500-mikron gange 500-mikron arealoverførsel for et array med 1.024 diamant-nanoantenner, men de kunne bruge større diamant-arrays og en større CMOS-chip til yderligere at skalere systemet op. Faktisk fandt de ud af, at med flere qubits kræver tuning af frekvenserne faktisk mindre spænding for denne arkitektur.

"I dette tilfælde, hvis du har flere qubits, vil vores arkitektur fungere endnu bedre," siger Li.

Holdet testede mange nanostrukturer, før de bestemte det ideelle mikrochiplet-array til låse-og-frigivelse-processen. At lave kvantemikrochips er imidlertid ingen nem opgave, og processen tog årevis at perfektionere.

"Vi har gentaget og udviklet opskriften til at fremstille disse diamant nanostrukturer i MIT renrum, men det er en meget kompliceret proces. Det tog 19 trin af nanofabrikation at få diamantkvantemikrochiplets, og trinene var ikke ligetil," tilføjer han.

Sideløbende med deres QSoC udviklede forskerne en tilgang til at karakterisere systemet og måle dets ydeevne i stor skala. For at gøre dette byggede de en brugerdefineret kryo-optisk metrologiopsætning.

Ved hjælp af denne teknik demonstrerede de en hel chip med over 4.000 qubits, der kunne indstilles til den samme frekvens og samtidig bevare deres spin og optiske egenskaber. De byggede også en digital tvillingesimulering, der forbinder eksperimentet med digitaliseret modellering, som hjælper dem med at forstå de grundlæggende årsager til det observerede fænomen og bestemme, hvordan de effektivt implementerer arkitekturen.

I fremtiden kan forskerne booste ydeevnen af ​​deres system ved at forfine de materialer, de brugte til at lave qubits eller udvikle mere præcise kontrolprocesser. De kunne også anvende denne arkitektur på andre solid-state kvantesystemer.