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麻省理工学院的研究人员开发出了一种制造和整合“人造原子”的工艺，这种工艺由钻石的微观薄片中的原子级缺陷产生，并带有光电集成技术电路，从而生产出同类最大的量子芯片。该最新研究成果论文，题为：”混合光子电路中人工原子的大规模集成“，发表在近期的《自然》杂志上。

论文第一与第二作者与通讯作者为华人博士生学者：诺埃尔·万（Noel H. Wan）、陆宗举（Tsung-Ju Lu）。论文主导作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系教授、德克·恩格隆德（Dirk Englund）说，这项成就“标志着可伸缩量子处理器领域的转折点”。建造量子计算机将需要数百万个量子处理器，这项新的研究证明了扩大处理器生产规模的可行方法。

与传统计算机使用0和1表示的位处理和存储信息不同，量子计算机使用可以同时表示0、1或两者的量子位来运行。这种奇怪的特性使量子计算机可以同时执行多个计算，从而解决了传统计算机难以解决的问题。

这种新芯片中的量子位是由钻石中的缺陷制成的人造原子，可以用可见光和微波来驱使它们发出携带量子信息的光子。研究团队在《自然》杂志上描述的过程是一种混合方法，其中将精心挑选的包含多个基于钻石的量子位的“量子微芯片”放置在氮化铝光子集成电路上。

恩格隆德教授说：“在过去20年的量子工程中，制造与集成电子产品相当的人造量子比特系统一直是最终的愿景。” “尽管在这一非常活跃的研究领域取得了显着进展，但迄今为止，制造和材料复杂性使每个光子系统仅产生两到三个发射器。”

使用他们的混合方法，恩格隆德及其同事能够构建一个128量子位的系统，这是迄今为止最大的集成人工原子光子学芯片。

芯片的质量控制

小芯片中的人造原子由钻石的色心、钻石的碳晶格中相邻的碳原子缺失的缺陷组成，它们的空间由不同的元素填充或保留为空。在麻省理工学院的芯片中，替换元素是锗和硅。每个中心起着原子状发射器的作用，其自旋状态可以形成一个量子比特。人造原子发出带有光或光子的彩色粒子，这些粒子携带着量子位表示的量子信息。

万解释说，钻石色中心构成了良好的固态量子位，但是“此平台的瓶颈实际上是在构建可扩展到成千上万个量子位的系统和设备架构。” “人造原子在固态晶体中，不希望有的污染会影响重要的量子性质，如相干时间。此外，晶体内部的变化会导致量子位彼此不同，因此很难缩放这些系统。”

研究人员决定采用模块化和混合方法，而不是尝试完全用钻石构建大型量子芯片。 “我们使用半导体制造技术来制造这些钻石小芯片，从中我们仅选择最高质量的量子位模块，”“然后，我们将这些小芯片逐个集成到另一个芯片中，从而将这些小芯片“连接”到更大的设备中。”

麻省理工学院：一种通过制造和整合“人造原子”的光电集成技术

这种集成是在光子电路上进行，该光子集成电路类似于电子集成电路，但使用光子而不是电子来承载信息。光子学提供了底层架构，可在电路中的模块之间以低损耗路由和切换光子。电路平台是氮化铝，而不是某些集成电路的传统硅。

通过使用这种光子电路和钻石小芯片的混合方法，研究人员能够在一个平台上连接128个量子比特。万和他的同事们说，这些量子比特稳定且寿命长，它们的发射可以在电路内进行调节，以产生光谱上无法区分的光子。

模块化方法

尽管该平台提供了一种可扩展的过程来生产人造原子光子芯片，但下一步将是“打开它”，即测试其处理能力。

万说：“这是固态量子比特发射器是非常可扩展的量子技术的概念证明。” “为了处理量子信息，下一步将是控制这些大量的量子位，并引起它们之间的相互作用。”

这种芯片设计中的量子位不必一定是这些特定的钻石色中心。其他芯片设计人员可能会选择其他类型的钻石色心，其他半导体晶体（如碳化硅）中的原子缺陷，某些半导体量子点或晶体中的稀土离子。

陆说，“由于集成技术是混合的和模块化的，因此我们可以选择适合每个组件的最佳材料，而不是仅仅依靠一种材料的自然属性，从而使我们能够将每种不同材料的最佳属性组合到一个系统中。”

研究团队表示，找到一种方法来实现这一过程的自动化，并证明与调制器和检测器之类的光电组件进一步集成，对于制造更大的芯片是模块化量子计算机和长距离传输量子比特的多通道量子中继器所必需的。

参考：Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits, Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2441-3, www.nature.com/articles/s41586-020-2441-3