麻省理工学院开发模块化可扩展量子系统芯片

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麻省理工学院（2024USNews美国大学排名：2）（MIT）的研究人员最近开发了一种模块化、可扩展的硬件平台，可以将数千个互连的量子比特集成到定制的集成电路上。这种“量子系统芯片”（QSoC）架构使研究人员能够精确调谐和控制密集的量子比特阵列。通过在11个频率通道上调谐量子比特，这种QSoC架构允许一种新的“纠缠复用”协议，用于大规模量子计算。研究团队花费多年时间完善了一种复杂的制造工艺，能够在单步中将数千个原子大小的量子比特微芯片转移到精心准备的互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片上。该团队的研究成果发表在《自然》杂志上。

麻省理工学院模块化可扩展硬件平台

麻省理工学院（MIT）和Mitre公司最近展示了一种可扩展的模块化硬件平台，该平台将数千个互连的量子比特集成到定制的集成电路中。这种量子系统芯片（QSoC）可以有效地控制大量的量子比特，向广泛应用的量子计算迈出了重要一步。QSoC架构的核心是“纠缠复用”协议，使研究人员能够在11个不同的频率通道上调谐量子比特。QSoC模块本身包含一个CMOS专用集成电路（ASIC），该ASIC提供电压偏置以调谐量子比特的电子自旋频率。研究人员使用基于钻石色心的微芯片来实现量子比特的稳定性和可扩展性。

为了制造这种QSoC，研究团队从钻石块中制造出钻石色心微芯片阵列，并将其转移到CMOS芯片上的微型插座中。研究人员还开发了一种定制的低温光学计量装置，以在保持自旋和光学特性的同时调谐具有4000个量子比特的芯片。尽管QSoC为实现实用的量子计算提供了可能，但研究人员仍需改进材料或开发更精确的控制过程。

量子系统芯片（QSoC）架构

2024年6月4日的“Research Bits”报道了几项重要的量子计算和光子学研究进展。首先，曼彻斯特大学和墨尔本大学的研究人员开发了一种工程超纯硅的技术，这种硅可以用于构建高性能量子比特设备，延长量子相干时间。通过使用标准离子注入器，研究人员将纯硅-28注入硅芯片中，减少了硅-29的含量，从而提高了量子计算的可靠性。

其次，麻省理工学院、康奈尔大学和MITRE公司展示了一种可扩展的模块化硬件平台，该平台将数千个互连的量子比特集成到定制的“量子系统芯片”上。研究人员利用钻石色心量子比特，这些量子比特与半导体制造工艺兼容，并通过调谐量子比特的频率，实现了大规模量子计算的“纠缠复用”协议。

最后，布里斯托大学的研究人员将一个微小的量子光探测器集成到硅电子-光子量子芯片上。该探测器尺寸为80微米乘220微米，操作速度快且不牺牲灵敏度，可用于量子通信和高灵敏度传感器等应用。

纠缠复用协议在量子计算中的应用

麻省理工学院（MIT）和MITRE的研究人员展示了一种可扩展的模块化硬件平台，该平台将数千个互连的量子比特集成到定制的集成电路中。这种“量子系统芯片”（QSoC）架构可以帮助精确调谐和控制密集的量子比特阵列，并允许一种新的“纠缠复用”协议，用于大规模量子计算。研究团队花费多年时间完善制造二维原子级量子比特微芯片阵列的复杂工艺，并将数千个微芯片转移到精心准备的互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片上。该架构通过11个频率通道调谐量子比特，使其能够在大规模量子计算中实现新的“纠缠复用”协议。

研究人员选择使用钻石色心量子比特，因为它们具有可扩展性优势，并且与现代半导体制造工艺兼容。钻石色心量子比特是携带量子信息的“人工原子”，具有较长的相干时间和光子接口，可以远程纠缠。研究团队开发了一种将钻石色心“微芯片”转移到CMOS背板上的制造工艺，并展示了一个包含1024个钻石纳米天线的阵列。未来，研究人员可能通过改进制造材料或开发更精确的控制工艺来提升系统性能。

量子比特与CMOS芯片的集成

台湾在低温CMOS和量子计算技术方面的进展将通过与芬兰IQM量子计算公司的合作得到显著提升。台湾半导体研究所（TSRI）与IQM签署了一份合作备忘录（MOU），旨在利用IQM的专业知识和技术加速台湾的量子计算发展。根据MOU，TSRI将获得IQM的知识，促进先进量子计算技术的整合。IQM不仅会向TSRI交付购买的量子计算机，还会派遣技术人员支持其硬件集成和协调工作。

由于中央研究院物理研究所的人力短缺，量子计算机开发略有延迟，导致保真度滞后。国家科学技术委员会自然科学与可持续发展部主任罗孟凡表示，与IQM的合作成为解决方案，使学术研究团队的先进低温组件能够在IQM的量子计算机中进行测试，其保真度高达99.9%。罗强调，TSRI与IQM的合作不仅仅是采购行为，而是测试台湾量子计算解决方案的战略举措。这些解决方案的成功可能会带来全球市场机会，台湾的解决方案可能会被全球政府和企业购买，进入国际量子计算机供应链。

TSRI正在执行“量子计算机子系统研发平台规划项目”，旨在加速量子计算机子系统的开发，并帮助本地产业采用量子关键技术。TSRI所长侯明德表示，合作的技术细节预计将在2024年敲定，届时IQM的量子计算机将被放置在TSRI进行测试。侯进一步澄清，IQM的量子计算机收购旨在测试台湾的低温电路，没有具体要求购买一定数量的量子计算机，这突显了合作的研究性质。

台湾的几个研究团队正在开发用于驱动和读取大规模固态量子比特的低温CMOS芯片。尽管这些芯片可能无法完全替代现有的Keysight Technologies设备，但它们可以显著简化外围电路并节省成本，使其成为不断发展的量子计算领域的重要组成部分。

综合总结

麻省理工学院（MIT）开发的模块化、可扩展的量子系统芯片（QSoC）架构为大规模量子计算提供了新的可能性。通过精确调谐和控制密集的量子比特阵列，QSoC架构实现了“纠缠复用”协议，使得在11个频率通道上调谐量子比特成为可能。这一突破不仅展示了量子计算在硬件层面的巨大潜力，还为未来的量子计算应用奠定了坚实的基础。

此外，全球范围内的研究机构和公司，如曼彻斯特大学、墨尔本大学、布里斯托大学以及台湾的TSRI和芬兰的IQM，也在积极推进量子计算技术的发展。通过合作和技术共享，这些机构正在加速量子计算技术的成熟和应用。

总的来说，量子计算技术正处于快速发展阶段，各种创新和合作正在推动这一领域向前迈进。未来，随着技术的不断完善和应用的拓展，量子计算有望在多个领域带来革命性的变化。