全球首款3D原子級(jí)硅量子芯片架構(gòu)問(wèn)世，向量子計(jì)算機(jī)又近一步

澳大利亞新南威爾士大學(xué)近日發(fā)布消息稱，該校量子計(jì)算與通信技術(shù)卓越中心（CQC2T）的研究人員已經(jīng)證明，他們開(kāi)創(chuàng)性的單原子技術(shù)可以適用于構(gòu)建3D硅量子芯片，實(shí)現(xiàn)具有精確的層間對(duì)準(zhǔn)和高精度的自旋狀態(tài)測(cè)量，并達(dá)成全球首款3D原子級(jí)硅量子芯片架構(gòu)，朝著構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步。

由2018年澳大利亞年度最佳研究人員和CQC2T教授Michelle Simmons領(lǐng)導(dǎo)的研究人員表示，他們可以將原子量子比特制造技術(shù)擴(kuò)展到多層硅晶體，實(shí)現(xiàn)引入的3D芯片架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，這項(xiàng)新研究成果表已經(jīng)發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志上。

該研究小組首次展示了在3D設(shè)計(jì)中使用原子級(jí)量子比特來(lái)控制線路的架構(gòu)的可行性，更重要的是，團(tuán)隊(duì)成員能夠讓3D設(shè)備中的不同層實(shí)現(xiàn)了納米精度的對(duì)齊，并顯示出他們能夠通過(guò)所謂的“單次拍攝”（即在一次測(cè)量中，以非常高保真度）讀出量子位元狀態(tài)。

“這種3D設(shè)備架構(gòu)是硅原子量子位的一個(gè)重大進(jìn)步?！盡ichelle Simmons教授表示，“為了能夠持續(xù)不斷地糾正量子計(jì)算中的錯(cuò)誤，我們必須能并行控制許多量子比特，這是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)里程碑?！?/p>

他解釋稱，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是使用3D架構(gòu)，因此他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在2015年開(kāi)發(fā)出一個(gè)垂直交叉架構(gòu)并申請(qǐng)了專利。雖然這種多層設(shè)備的制造還面臨一系列挑戰(zhàn)，不高這次的研究成果證明，幾年前所設(shè)想的3D方法是可行的。

在論文中，該團(tuán)隊(duì)演示了如何在第一層量子位元之上構(gòu)建第二個(gè)控制平面或?qū)??！斑@是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在構(gòu)建了第一個(gè)平面后，使用一種優(yōu)化的技術(shù)，在不影響第一層結(jié)構(gòu)的情況下生長(zhǎng)第二層?！盋QC2T研究員兼合著者Joris Keizer博士解釋道。

此外，團(tuán)隊(duì)成員還證明他們可以將這些層以納米精度對(duì)齊。Joris Keiser博士稱，“如果你在第一層硅層上寫(xiě)了一些東西，然后在上面放了一層硅層，你仍然需要確定你的位置來(lái)對(duì)齊這兩層的組件。”我們已經(jīng)展示了一種可以在5納米以下實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)，這是非常了不起的?！?/p>

最后，研究人員還通過(guò)單次測(cè)量獲得3D設(shè)備的量子比特輸出，而不必依賴于數(shù)百萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)的平均值，Joris Keiser博士表示這有望促進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)。

“雖然我們距離大型量子計(jì)算機(jī)還有至少十年的距離，但CQC2T的工作仍然處于這一領(lǐng)域創(chuàng)新的前沿。”Michelle Simmons教授透露，他們正在系統(tǒng)地開(kāi)展大規(guī)模架構(gòu)，并將最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)的商業(yè)化。