一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用于捕獲離子量子計(jì)算機(jī)的開放式設(shè)計(jì)。

國際合作。由英國蘇塞克斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，包括來自美國谷歌、丹麥奧胡斯大學(xué)、日本理化學(xué)研究所和德國錫根大學(xué)的科學(xué)家。他們開發(fā)了一種更簡單的模塊化設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用電場來傳輸離子，而無需對齊激光束，從而實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的架構(gòu)。

使用捕獲離子的小規(guī)模量子計(jì)算是通過將單個(gè)激光束對準(zhǔn)單個(gè)離子來進(jìn)行的，每個(gè)離子形成一個(gè)量子位。具有數(shù)十億量子比特的大型機(jī)器需要數(shù)十億個(gè)精確對準(zhǔn)的激光器，這使其不切實(shí)際。

蘇塞克斯量子技術(shù)中心主任、該項(xiàng)目的研究負(fù)責(zé)人溫弗里德·亨辛格教授說：“多年來，人們都說完全不可能建造一臺(tái)真正的量子計(jì)算機(jī)。”十多年來，他一直致力于捕獲離子量子技術(shù)。

“通過我們的工作，我們不僅證明了它是可以做到的，而且我們已經(jīng)交付了一個(gè)具體的建造計(jì)劃來建造一臺(tái)真正的大型機(jī)器。現(xiàn)在我們正在基于這種設(shè)計(jì)構(gòu)建原型，”他說。

這些模塊作為獨(dú)立單元控制所有操作，并使用當(dāng)前5nm技術(shù)可能實(shí)現(xiàn)的硅微制造技術(shù)構(gòu)建。這些模塊使用長波長（微波）俘獲離子量子門，量子比特使用電場在各個(gè)模塊之間傳輸。研究人員表示，這比使用光纖鏈路快100，000倍，并允許連接許多模塊以構(gòu)建大型設(shè)備。

可以在所提出的架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高錯(cuò)誤閾值表面糾錯(cuò)碼以執(zhí)行容錯(cuò)操作，并且該設(shè)計(jì)適用于其他俘獲離子量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)，例如使用光子互連的方案。

量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

每個(gè)模塊都使用微型制造的離子阱X結(jié)陣列，其中捕獲了兩個(gè)或多個(gè)離子。它們具有三個(gè)不同的區(qū)域，分別是基于微波的門區(qū)、狀態(tài)讀出區(qū)和加載區(qū)。一旦離子被捕獲在加載區(qū)，高保真離子穿梭操作將離子轉(zhuǎn)移到門區(qū)。在那里，離子可以使用局部可調(diào)磁場單獨(dú)尋址，并使用靜態(tài)磁場梯度結(jié)合全局微波和射頻場進(jìn)行糾纏。

當(dāng)需要檢測量子比特的狀態(tài)時(shí)，離子被轉(zhuǎn)移到讀出區(qū)，在那里全局激光場和片上光電探測器用于狀態(tài)讀出。第二種離子種類用于在不影響其內(nèi)部狀態(tài)的情況下對量子比特離子進(jìn)行協(xié)同冷卻。

所有相干量子操作均由片上電子設(shè)備執(zhí)行和控制，僅依賴于全局微波和射頻場。在這種架構(gòu)中，激光僅用于狀態(tài)準(zhǔn)備和檢測、光電離和交感神經(jīng)冷卻。這意味著激光束的要求可以比用于實(shí)現(xiàn)量子門的要求嚴(yán)格得多。激光束不需要具有高強(qiáng)度，也不需要是相位穩(wěn)定的。

5nm工藝技術(shù)

X結(jié)結(jié)構(gòu)的面積為2.5×2.5mm2，可以在硅片上大量制造，形成可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)模塊。總共1296個(gè)單獨(dú)的X結(jié)可以單片制造到90×90-mm2的硅晶片上，與標(biāo)準(zhǔn)的150-mm晶片尺寸兼容。

然而，挑戰(zhàn)在于電源。如果所有這些X結(jié)都電氣連接在一起，則電容和功耗將變得太大而無法用高質(zhì)量因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)螺旋諧振器驅(qū)動(dòng)。因此，捕獲離子的真空系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)限制了模塊的尺寸。

該團(tuán)隊(duì)使用是德科技的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件工具來模擬電氣子模塊中連接在一起的6×6結(jié)。這將電容保持在80pF以下，并且使用直徑為15mm的緊湊型螺旋諧振器可以實(shí)現(xiàn)Q》200的品質(zhì)因數(shù)。

實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量因數(shù)的另一個(gè)要求是使用具有低射頻損耗的襯底，通常具有50kΩ·cm的體電阻率。緊湊型諧振器放置在模塊下方的系統(tǒng)內(nèi)部，并通過屏蔽電纜連接到電氣子模塊。所有諧振器都連接到相同的頻率源，并且使用可變電容器將諧振電路調(diào)諧到與頻率源諧振。

電氣部分的緊密接近將導(dǎo)致諧振器之間的電容耦合，從而導(dǎo)致諧振器和相鄰射頻電極的相位匹配。仔細(xì)設(shè)計(jì)離子芯片上的連接路徑，以避免相關(guān)射頻電極之間出現(xiàn)不可忽略的相位差。

每個(gè)電氣子模塊具有1224個(gè)靜態(tài)電壓電極和108個(gè)單獨(dú)的局部梯度電流線。所需的靜態(tài)電壓和電流由真空系統(tǒng)內(nèi)的DAC提供，這些DAC在單獨(dú)的硅基板上制造，這些硅基板使用TSV和晶圓堆疊技術(shù)連接到離子阱基板。

堆疊式讀出電子設(shè)備

每個(gè)晶圓層都有四個(gè)DAC，總共有160個(gè)模擬輸出（AD5370有足夠的輸出并用作示例，但需要以更高更新速率運(yùn)行的修改版本），并結(jié)合所需的TSV和RC濾波器，占地面積不超過15×15mm2。產(chǎn)生足夠多的模擬輸出需要總共九層堆疊在一起的晶圓層。一個(gè)附加層用于容納一個(gè)電子控制單元，該單元控制真空DAC和檢測系統(tǒng)。

產(chǎn)生磁場梯度的嵌入式銅線的布線方式使得每個(gè)模塊只需要四個(gè)大電流連接，但這些連接通過小橫截面（~30×60μm2）的電線傳遞10A的大電流。這使得將產(chǎn)生的熱量有效地分配并從模塊中傳輸出去至關(guān)重要。此外，離子阱結(jié)構(gòu)和真空電子設(shè)備耗散的功率也需要從模塊中轉(zhuǎn)移出去。通過將硅襯底冷卻到100K以下可以避免線結(jié)構(gòu)的熔化。

該團(tuán)隊(duì)建議使用集成到模塊背面晶片中的液氮微通道冷卻器來有效地去除模塊中的熱量。深溝槽被蝕刻到最后一個(gè)晶片的背面，形成液氮通過的通道。使用額外的硅晶片覆蓋通道。用硅制造包括液體冷卻器在內(nèi)的整個(gè)模塊可防止因不同熱膨脹系數(shù)而產(chǎn)生的額外應(yīng)力和晶片彎曲。

這些具有6x6子模塊的模塊中的每一個(gè)都可以作為具有1296個(gè)X結(jié)的獨(dú)立小型量子處理器模塊工作。

該研究是英國政府國家量子技術(shù)計(jì)劃的一部分。

“通用量子計(jì)算機(jī)的可用性可能會(huì)對整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生根本性影響。毫無疑問，制造大型機(jī)器仍然具有挑戰(zhàn)性，但現(xiàn)在是時(shí)候?qū)⒆吭降膶W(xué)術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，并利用英國在技術(shù)方面的優(yōu)勢，”溫弗里德說。“我們很高興與行業(yè)和政府合作實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”