Kvantdatorer har löftet om att snabbt kunna lösa extremt komplexa problem som kan ta världens kraftfullaste superdator årtionden att knäcka.
Men för att uppnå den prestandan måste man bygga ett system med miljontals sammanlänkade byggstenar som kallas qubits. Att skapa och kontrollera så många qubits i en hårdvaruarkitektur är en enorm utmaning som forskare runt om i världen strävar efter att möta.
Mot detta mål har forskare vid MIT och MITER demonstrerat en skalbar, modulär hårdvaruplattform som integrerar tusentals sammankopplade qubits i en anpassad integrerad krets. Denna "quantum-system-on-chip" (QSoC)-arkitektur gör det möjligt för forskarna att exakt ställa in och kontrollera en tät uppsättning qubits. Flera kretsar kan anslutas med hjälp av optiskt nätverk för att skapa ett storskaligt kvantkommunikationsnätverk.
Genom att ställa in qubits över 11 frekvenskanaler möjliggör denna QSoC-arkitektur ett nytt föreslaget protokoll för "entanglement multiplexing" för storskalig kvantberäkning.
Teamet tillbringade åratal med att perfektionera en intrikat process för tillverkning av tvådimensionella arrayer av atomstora qubit-mikrochips och överföra tusentals av dem till ett noggrant förberett komplementärt metalloxidhalvledarchip (CMOS). Denna överföring kan utföras i ett enda steg.
"Vi kommer att behöva ett stort antal qubits, och stor kontroll över dem, för att verkligen utnyttja kraften i ett kvantsystem och göra det användbart. Vi föreslår en helt ny arkitektur och en tillverkningsteknik som kan stödja skalbarhetskraven för en hårdvara system för en kvantdator", säger Linsen Li, doktorand i elektroteknik och datavetenskap (EECS) och huvudförfattare till en artikel om denna arkitektur.
Lis medförfattare inkluderar Ruonan Han, docent i EECS, ledare för Terahertz Integrated Electronics Group och medlem av Research Laboratory of Electronics (RLE); senior författare Dirk Englund, professor i EECS, huvudutredare för Quantum Photonics and Artificial Intelligence Group och RLE; såväl som andra vid MIT, Cornell University, Delft Institute of Technology, Army Research Laboratory och MITER Corporation. Papperet visas i Natur .
Även om det finns många typer av qubits, valde forskarna att använda diamantfärgcentra på grund av deras skalbarhetsfördelar. De använde tidigare sådana qubits för att producera integrerade kvantchips med fotoniska kretsar.
Qubits gjorda av diamantfärgcentra är "konstgjorda atomer" som bär kvantinformation. Eftersom diamantfärgcentra är solid-state-system, är qubit-tillverkningen kompatibel med moderna halvledartillverkningsprocesser. De är också kompakta och har relativt långa koherenstider, vilket hänvisar till hur lång tid en qubits tillstånd förblir stabilt på grund av den rena miljön som diamantmaterialet ger.
Dessutom har diamantfärgcentra fotoniska gränssnitt som gör att de kan intrasslas på avstånd eller kopplas ihop med andra qubits som inte är intill dem.
"Det konventionella antagandet inom området är att inhomogeniteten hos diamantfärgscentrumet är en nackdel jämfört med identiskt kvantminne som joner och neutrala atomer. Men vi vänder denna utmaning till en fördel genom att omfamna mångfalden av de artificiella atomerna:Varje atom har sin egen spektrala frekvens Detta gör att vi kan kommunicera med enskilda atomer genom att spänningsinställa dem till resonans med en laser, ungefär som att ställa in ratten på en liten radio.
Detta är särskilt svårt eftersom forskarna måste uppnå detta i stor skala för att kompensera för qubit-inhomogeniteten i ett stort system.
För att kommunicera över qubits måste de ha flera sådana "kvantradioapparater" uppringda till samma kanal. Att uppnå detta tillstånd blir nästan säkert när man skalar till tusentals qubits.
För detta ändamål klarade forskarna den utmaningen genom att integrera ett stort utbud av diamantfärgcentrum-qubits på ett CMOS-chip som tillhandahåller kontrollrattarna. Chipet kan integreras med inbyggd digital logik som snabbt och automatiskt omkonfigurerar spänningarna, vilket gör att qubitarna kan nå full anslutning.
"Detta kompenserar för systemets inhomogena karaktär. Med CMOS-plattformen kan vi snabbt och dynamiskt ställa in alla qubit-frekvenser", förklarar Li.
För att bygga denna QSoC utvecklade forskarna en tillverkningsprocess för att överföra "mikrochiplets" i diamantfärgcentrum till ett CMOS-bakplan i stor skala.
De började med att tillverka en uppsättning diamantfärgcentrummikrochips från ett massivt diamantblock. De designade och tillverkade också optiska antenner i nanoskala som möjliggör en mer effektiv insamling av fotoner som emitteras av dessa färgcentrum-qubits i ledigt utrymme.
Sedan designade och kartlade de chipet från halvledargjuteriet. De arbetade i MIT.nano-renrummet och efterbearbetade ett CMOS-chip för att lägga till mikroskala socklar som matchar diamantmikrochiplet.
De byggde en intern överföringsuppställning i labbet och tillämpade en lås-och-släpp-process för att integrera de två skikten genom att låsa diamantmikrochiplets i uttagen på CMOS-chippet. Eftersom diamantmikrochiplets är svagt bundna till diamantytan, när de släpper bulkdiamanten horisontellt, stannar mikrochiplets i sockeln.
"Eftersom vi kan kontrollera tillverkningen av både diamanten och CMOS-chippet kan vi skapa ett komplementärt mönster. På så sätt kan vi överföra tusentals diamantchiplets till deras motsvarande socklar samtidigt", säger Li.
Forskarna visade en areaöverföring på 500 mikron gånger 500 mikron för en array med 1 024 diamantnanoantenner, men de kunde använda större diamantmatriser och ett större CMOS-chip för att skala upp systemet ytterligare. Faktum är att de fann att med fler qubits kräver inställning av frekvenserna faktiskt mindre spänning för den här arkitekturen.
"I det här fallet, om du har fler qubits, kommer vår arkitektur att fungera ännu bättre", säger Li.
Teamet testade många nanostrukturer innan de bestämde den perfekta mikrochiplet-arrayen för lås-och-släpp-processen. Det är dock ingen lätt uppgift att tillverka kvantmikrochips, och processen tog år att fullända.
"Vi har upprepat och utvecklat receptet för att tillverka dessa diamantnanostrukturer i MIT renrum, men det är en mycket komplicerad process. Det tog 19 steg av nanotillverkning för att få fram diamantkvantmikrochiplets, och stegen var inte enkla", tillägger han.
Vid sidan av sin QSoC utvecklade forskarna ett tillvägagångssätt för att karakterisera systemet och mäta dess prestanda i stor skala. För att göra detta byggde de en skräddarsydd kryo-optisk mätteknik.
Med den här tekniken demonstrerade de ett helt chip med över 4 000 qubits som kunde ställas in till samma frekvens samtidigt som deras spinn och optiska egenskaper bibehölls. De byggde också en digital tvillingsimulering som kopplar samman experimentet med digitaliserad modellering, vilket hjälper dem att förstå grundorsakerna till det observerade fenomenet och avgöra hur arkitekturen ska implementeras effektivt.
I framtiden kan forskarna öka prestandan hos sitt system genom att förfina materialen de använde för att göra qubits eller utveckla mer exakta kontrollprocesser. De skulle också kunna tillämpa denna arkitektur på andra solid-state kvantsystem.
