MIT -forskare har utvecklat en process för att tillverka och integrera "konstgjorda atomer, "skapad av defekter i atomskala i mikroskopiskt tunna diamantskivor, med fotoniska kretsar, producerar det största kvantchipet av sin typ.

Prestationen "markerar en vändpunkt" inom området skalbara kvantprocessorer, säger Dirk Englund, docent vid MIT:s institution för elektroteknik och datavetenskap. Miljontals kvantprocessorer kommer att behövas för att bygga kvantdatorer, och den nya forskningen visar ett livskraftigt sätt att skala upp processorproduktionen, noterar han och hans kollegor.

Till skillnad från klassiska datorer, som behandlar och lagrar information med hjälp av bitar representerade av antingen 0s och 1s, kvantdatorer arbetar med kvantbitar, eller qubits, som kan representera 0, 1, eller båda samtidigt. Denna konstiga egenskap tillåter kvantdatorer att samtidigt utföra flera beräkningar, lösa problem som skulle vara svårhanterliga för klassiska datorer.

Qubits i det nya chipet är konstgjorda atomer gjorda av defekter i diamant, som kan drivas med synligt ljus och mikrovågor för att avge fotoner som bär kvantinformation. Processen, som Englund och hans team beskriver i Natur , är en hybridmetod, där noggrant utvalda "kvantmikrochipletter" som innehåller flera diamantbaserade qubits placeras på en fotonisk integrerad krets av aluminiumnitrid.

"Under de senaste 20 åren med kvantteknik, det har varit den ultimata visionen att tillverka sådana artificiella qubit -system i volymer som är jämförbara med integrerad elektronik, "Englund säger." Även om det har skett anmärkningsvärda framsteg inom detta mycket aktiva forskningsområde, tillverkning och materialkomplikationer har hittills bara gett två till tre sändare per fotoniskt system. "

Med sin hybridmetod, Englund och kollegor kunde bygga ett 128-qubit system-det största integrerade artificiella atom-fotonikchipet än.

Kvalitetskontroll för chiplets

De konstgjorda atomerna i chiplets består av färgcentra i diamanter, defekter i diamants kolgitter där angränsande kolatomer saknas, med sina utrymmen antingen fyllda av ett annat element eller lämnas lediga. I MIT chiplets, ersättningselementen är germanium och kisel. Varje centrum fungerar som en atomliknande sändare vars spinntillstånd kan bilda en qubit. De konstgjorda atomerna avger färgade ljuspartiklar, eller fotoner, som bär kvantinformationen som representeras av qubit.

Diamantfärgcentra gör bra solid-state qubits, men "flaskhalsen med denna plattform är faktiskt att bygga ett system och en enhetsarkitektur som kan skala till tusentals och miljontals qubits, "Wan förklarar." Konstgjorda atomer finns i en fast kristall, och oönskad kontaminering kan påverka viktiga kvantegenskaper som koherens gånger. Vidare, variationer i kristallen kan orsaka att qubiterna skiljer sig från varandra, och det gör det svårt att skala dessa system. "

Istället för att försöka bygga ett stort kvantchip helt i diamant, forskarna bestämde sig för att ta en modulär och hybrid metod. "Vi använder halvledartillverkningstekniker för att göra dessa små diamanter, från vilka vi väljer endast de högsta kvalitet qubit moduler, "säger Wan." Sedan integrerar vi dessa chiplets bit-för-bit i ett annat chip som "leder" chipletsna till en större enhet. "

Integrationen sker på en fotonisk integrerad krets, som är analog med en elektronisk integrerad krets men använder fotoner snarare än elektroner för att bära information. Photonics tillhandahåller den underliggande arkitekturen för att dirigera och växla fotoner mellan moduler i kretsen med låg förlust. Kretsplattformen är aluminiumnitrid, snarare än det traditionella kislet i vissa integrerade kretsar.

Med denna hybridmetod för fotoniska kretsar och diamantchipletter, forskarna kunde ansluta 128 qubits på en plattform. Qubiterna är stabila och långlivade, och deras utsläpp kan ställas in i kretsen för att producera spektralt oskiljbara fotoner, enligt Wan och kollegor.

Ett modulärt tillvägagångssätt

Medan plattformen erbjuder en skalbar process för att producera artificiella atom-fotoniska chips, nästa steg blir att "slå på den, " så att säga, att testa sina bearbetningskunskaper.

"Detta är ett bevis på konceptet att halvledars qubit-sändare är mycket skalbar kvantteknik, "säger Wan." För att bearbeta kvantinformation, nästa steg skulle vara att kontrollera detta stora antal qubits och även framkalla interaktioner mellan dem. "

Qubitsna i denna typ av chipdesign behöver inte nödvändigtvis vara just dessa diamantfärgcentra. Andra chipdesigners kan välja andra typer av diamantfärgcentra, atomfel i andra halvledarkristaller som kiselkarbid, vissa halvledarkvantumspunkter, eller sällsynta jordartsjoner i kristaller. "Eftersom integrationstekniken är hybrid och modulär, vi kan välja det bästa materialet som passar varje komponent, snarare än att förlita sig på naturliga egenskaper hos endast ett material, så att vi kan kombinera de bästa egenskaperna för varje olika material till ett system, "säger Lu.

Att hitta ett sätt att automatisera processen och visa ytterligare integration med optoelektroniska komponenter som modulatorer och detektorer kommer att vara nödvändigt för att bygga ännu större chips som är nödvändiga för modulära kvantdatorer och flerkanaliga kvantrepetrar som transporterar qubits över långa avstånd, säger forskarna.

Andra författare på Natur papper inkluderar MIT -forskare 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 och Ian R. Christen; med Edward S. Bielejec på Sandia National Laboratories.