Исследовательская группа демонстрирует модульную, масштабируемую аппаратную архитектуру для квантового компьютера

[Crescent]

Исследовательская группа демонстрирует модульную, масштабируемую аппаратную архитектуру для квантового компьютера от Массачусетского технологического института

Квантовые компьютеры обещают быстро решать чрезвычайно сложные задачи, на решение которых самому мощному суперкомпьютеру в мире могут потребоваться десятилетия.

Но достижение такой производительности требует построения системы из миллионов взаимосвязанных строительных блоков, называемых кубитами. Создание такого количества кубитов в аппаратной архитектуре и управление ими - огромная задача, к решению которой стремятся ученые всего мира.

Для достижения этой цели исследователи из Массачусетского технологического института и MITRE продемонстрировали масштабируемую модульную аппаратную платформу, которая объединяет тысячи взаимосвязанных кубитов в индивидуальную интегральную схему. Эта архитектура "квантовой системы на кристалле" (QSoC) позволяет исследователям точно настраивать и контролировать плотный массив кубитов. Несколько чипов могут быть соединены с помощью оптической сети для создания крупномасштабной сети квантовой связи.

За счет настройки кубитов по 11 частотным каналам эта архитектура QSoC позволяет реализовать новый предлагаемый протокол "мультиплексирования запутанности" для крупномасштабных квантовых вычислений.

Команда потратила годы на совершенствование сложного процесса изготовления двумерных массивов кубитных микрочиплет размером с атом и переноса тысяч из них на тщательно подготовленный комплементарный металл-оксидный полупроводниковый (CMOS) чип. Эта передача может быть выполнена за один шаг.

"Нам понадобится большое количество кубитов и отличный контроль над ними, чтобы действительно использовать мощь квантовой системы и сделать ее полезной. Мы предлагаем совершенно новую архитектуру и технологию изготовления, которые могут поддерживать требования к масштабируемости аппаратной системы для квантового компьютера ", - говорит Линсен Ли, аспирант электротехники и компьютерных наук (EECS) и ведущий автор статьи об этой архитектуре.

В число соавторов Ли входят Руонан Хан, адъюнкт-профессор EECS, руководитель группы терагерцовой интегрированной электроники и сотрудник Исследовательской лаборатории электроники (RLE); старший автор Дирк Энглунд, профессор EECS, главный исследователь Группы квантовой фотоники и искусственного интеллекта и RLE; а также другие сотрудники Массачусетского технологического института, Корнельского университета, Технологического института Делфта, Армейской исследовательской лаборатории и MITRE Corporation. Статья появилась в Nature.

Алмазные микрочипеты

Хотя существует множество типов кубитов, исследователи решили использовать ромбовидные цветовые центры из-за их преимуществ в масштабируемости. Ранее они использовали такие кубиты для производства интегрированных квантовых чипов с фотонной схемой.

Кубиты, изготовленные из центров окраски алмазов, представляют собой "искусственные атомы", которые несут квантовую информацию. Поскольку центры окраски алмазов являются твердотельными системами, производство кубитов совместимо с современными процессами изготовления полупроводников. Они также компактны и имеют относительно длительное время когерентности, которое относится к количеству времени, в течение которого состояние кубита остается стабильным, благодаря чистой среде, обеспечиваемой алмазным материалом.

Кроме того, центры алмазного окрашивания имеют фотонные интерфейсы, которые позволяют удаленно запутывать или соединять их с другими кубитами, которые не находятся рядом с ними.

"Общепринятое предположение в данной области заключается в том, что неоднородность цветового центра алмаза является недостатком по сравнению с идентичной квантовой памятью, такой как ионы и нейтральные атомы. Однако мы превращаем эту проблему в преимущество, принимая во внимание разнообразие искусственных атомов: каждый атом имеет свою собственную спектральную частоту. Это позволяет нам взаимодействовать с отдельными атомами, настраивая их напряжение в резонанс с лазером, подобно настройке циферблата на крошечном радиоприемнике ", - говорит Энглунд.

Это особенно сложно, потому что исследователи должны достичь этого в больших масштабах, чтобы компенсировать неоднородность кубитов в большой системе.

Для связи через кубиты им необходимо иметь несколько таких "квантовых радиостанций", подключенных к одному каналу. Достижение этого условия становится практически гарантированным при масштабировании до тысяч кубитов.

С этой целью исследователи преодолели эту проблему, интегрировав большой массив центральных кубитов алмазного цвета в CMOS-чип, который обеспечивает циферблаты управления. В чип может быть встроена цифровая логика, которая быстро и автоматически перенастраивает напряжения, позволяя кубитам достичь полной связности.

"Это компенсирует неоднородный характер системы. Благодаря платформе CMOS мы можем быстро и динамически настраивать все частоты кубитов", - объясняет Ли.
Технология блокировки и разблокировки

Для создания этого QSoC исследователи разработали технологический процесс для переноса "микрочиплет" алмазного цветового центра на объединительную плату CMOS в крупном масштабе.

Они начали с изготовления массива микрочипов diamond color center из цельного куска алмаза. Они также разработали и изготовили наноразмерные оптические антенны, которые позволяют более эффективно собирать фотоны, излучаемые этими кубитами с цветовым центром, в свободном пространстве.

Затем они спроектировали и нанесли на карту микросхему из цеха по производству полупроводников. Работая в лаборатории MIT.nano cleanroom, они подвергли постобработке CMOS-чип для добавления микромасштабных разъемов, которые соответствуют матрице алмазных микрочиплетей.

Они построили собственную установку переноса в лаборатории и применили процесс блокировки и расцепления для интеграции двух слоев, зафиксировав алмазные микрочипеты в гнездах на КМОП-чипе. Поскольку алмазные микрочипеты слабо связаны с поверхностью алмаза, когда они высвобождают объемный алмаз горизонтально, микрочипеты остаются в гнездах.

"Поскольку мы можем контролировать изготовление как алмаза, так и КМОП-чипа, мы можем создать взаимодополняющий шаблон. Таким образом, мы можем одновременно переносить тысячи алмазных микросхем в соответствующие гнезда ", - говорит Ли.

Исследователи продемонстрировали перенос площади 500 на 500 микрон для матрицы с 1024 алмазными наноантеннами, но они могли бы использовать более крупные алмазные матрицы и КМОП-чип большего размера для дальнейшего масштабирования системы. Фактически, они обнаружили, что при большем количестве кубитов настройка частот на самом деле требует меньшего напряжения для этой архитектуры.

"В этом случае, если у вас будет больше кубитов, наша архитектура будет работать еще лучше", - говорит Ли.

Команда протестировала множество наноструктур, прежде чем определила идеальную матрицу микрочиплет для процесса блокировки и разблокировки. Однако создание квантовых микрочипов - непростая задача, и на совершенствование процесса ушли годы.

"Мы повторили и разработали рецепт изготовления этих алмазных наноструктур в чистой комнате Массачусетского технологического института, но это очень сложный процесс. Потребовалось 19 этапов нанопроизводства, чтобы получить алмазные квантовые микрочиплеты, и шаги были непростыми ", - добавляет он.

Вместе со своим QSoC исследователи разработали подход для характеристики системы и измерения ее производительности в больших масштабах. Для этого они создали специальную криооптическую метрологическую установку.

Используя эту технику, они продемонстрировали целый чип с более чем 4000 кубитами, который можно настроить на ту же частоту, сохраняя при этом его вращение и оптические свойства. Они также создали цифровую двойную симуляцию, которая соединяет эксперимент с цифровым моделированием, что помогает им понять первопричины наблюдаемого явления и определить, как эффективно реализовать архитектуру.

В будущем исследователи могли бы повысить производительность своей системы за счет усовершенствования материалов, которые они использовали для изготовления кубитов, или разработки более точных процессов управления. Они также могли бы применить эту архитектуру к другим твердотельным квантовым системам.

Дополнительная информация: Дирк Энглунд, Гетерогенная интеграция спин–фотонных интерфейсов с КМОП-платформой, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07371-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07371-7