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混合工艺将PIC与人工原子结合量产量子芯片

发布时间: 2020-07-20 15:12:00   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

 

2020715日,麻省理工学院的研究人员已经开发了一种方法来制造和集成人工原子与光子电路,以生产一种可用于大规模量子系统的量子芯片。利用一种混合的模块化方法,研究人员建立了他们认为是迄今为止最大的集成人工原子光子学芯片。

研究人员没有试图完全用金刚石构建一个大的量子芯片,而是在光子集成电路(PIC)上集成了量子微芯片或QMCs--包含高度相干颜色中心的金刚石波导阵列。芯片中的人工原子由金刚石色心组成。每个中心都起着原子状发射极的作用,其自旋态可以形成量子位元。当被可见光和微波激发时,人工原子发射携带量子信息的光子。

研究人员使用半导体制造技术制造芯片,然后从他们生产的芯片中选择最高质量的量子位模块。 芯片被放置在一张图片上,它提供了在量子位模块之间以低损耗路由和切换光子的底层架构。该PIC平台由氮化铝制成。

.  量子光子芯片及其组装过程

使用这种方法,研究人员能够在一个平台上连接128个量子位元。他们说,量子比特是稳定和长寿命的,它们的发射可以在电路中调谐,以产生光谱上无法区分的光子。

金刚石色心已经成为领先的固态量子比特,因为它们能够按需远程纠缠、相干控制和记忆增强量子通信。 然而,根据研究人员Noel Wan的说法,“这个平台的瓶颈实际上在于建立一个可以扩展到数千万个量子比特系统和设备架构。

人造原子在固体晶体中,不必要的污染会影响重要的量子特性,如相干时间,”Wan,“此外,晶体内部的变化可能导致量子位元彼此不同,这使得很难对这些系统进行缩放。

虽然MIT混合平台可以提供一个可扩展的过程来成功制成生产人工原子光子学芯片,但下一步还需将是测试其处理技能。这是一个概念的证明,固态量子比特发射器是非常可扩展的量子技术,”Wan,“为了处理量子信息,下一步将是控制这些大量的量子位元,并诱导它们之间的相互作用。

将大量几乎无法区分和可调谐的人工原子组装成相位稳定的PICs是迈向多路复用量子中继器和通用量子处理器的关键步骤。 Dirk Englund教授说:“在过去20年的量子工程中,以与集成电子学相当的体积制造这种人工量子位元系统一直是终极愿景。尽管在这一非常活跃的,研究、制造和材料复杂的领域取得了显著的进展,但到目前为止,每个光子系统只产生两到三个发射体。”

研究人员说,其他类型的金刚石色心可以用于麻省理工学院团队芯片设计中的量子位元。“由于集成技术是混合和模块化的,我们可以选择适合每个组件的最佳材料,而不是只依赖于一种材料的自然特性,从而使我们能够将每种不同材料的最佳性能组合成一个系统。”研究员Tsung-Ju Lu说。

该研究发表在Nature(www.doi.org/101038/S41586-020-2441-3)

 

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