全球首個原子級三維硅量子芯片架構亮相！是邁向通用量子計算機的又一重大步驟
2019-01-10 11:57:26 N近日，新南威爾士大學量子計算與通信技術卓越中心(CQC2T)研究人員首次證明：他們可以在三維設備中構建原子精確量子位——這是邁向通用量子計算機的又一重大步驟。
2018年度杰出澳大利亞人、CQC2T 主任 Michelle Simmons 教授表示，他們能夠拓展原子級量子位制造技術，使之應用于多層硅晶體，從而實現了他們2015年發明的三維芯片架構中一個關鍵元件。這項新研究于1月7日發表在《自然納米技術（Nature Nanotechnology）》期刊上。這個小組是第一個展示這種架構的可行性小組，這種架構使用原子尺度的量子位元對齊來控制三維設計中的線(本質上是非常窄的線)。更重要的是該團隊能夠將3d設備中的不同層與納米精度對齊，并顯示出他們能夠在單次拍攝(即在一次測量中)以非常高保真度讀出量子位元狀態。
論文作者 Joris Keizer 博士與 Michelle Simmons 教授
技術
2015年，新南威爾士大學的研究人員們設計出一種基于單原子量子位的三維硅芯片架構，這種芯片架構兼容原子級制造技術。在概念設計中，他們從沿著一條線排列成一維量子位陣列，發展成位于同一平面上的二維量子位陣列，而二維陣列的糾錯能力更強。
在三維架構中，量子位層像三明治一般夾在兩個“線網”層之間。向其中的一些線施加電壓，可并行控制多個量子位，達到以較少的控制來進行一系列運算的目的。重點在于，他們實現了二維”表面代碼（surface code）“糾錯協議。通過這一糾錯協議，計算中存在的任何潛在錯誤都能得到及時糾正。
在近期的研究中，該研究小組首先論證了這種架構的可行性。在這種三維設計內部，該架構采用與控制線對齊的原子級量子位，而控制線其實就是非常細的線。此外，團隊也在三維器件中以納米精度對齊不同的層，并展示了一次讀出多個量子狀態，也就是說，一次測量達到非常高的保真度。
Simmons 教授表示：“對于原子級的硅量子位來說，這種三維器件架構是一個顯著的進展。為了能持續糾正量子計算中的錯誤（我們的領域中一個非常重要的里程碑），你必須能并行地控制許多個量子位。”
“實現這一點的唯一方法就是采用三維架構，因此在2015年，我們開發出一個垂直交叉的架構，并申請了專利。然而，這種多層器件的制造還面臨著一系列的相關挑戰。現在，我們通過這一成果可以說明，像我們幾年前展望的那樣，我們的方案設計可以設計成三維的。”
在這篇論文中，團隊論證了如何去構建量子位的第二個控制平面，或者說，位于第一層之上的那一層。CQC2T 研究員、論文合著者之一的 Joris Keizer 表示：“這是高度復雜的工藝，但是簡單來說，我們構建了第一個平面，然后優化了一項技術來生長第二層，且不影響第一層中的結構。”
“過去，批評者們會說，這是不可能的，因為第二層的表面變得非常粗糙，你無法在使用我們的精準技術。然而出乎意料的是，在這篇論文中，我們說明了我們可以做到。” 團隊也表明了，他們然后能以納米精度對齊這些多層結構。
Keizer 博士說：“如果你在第一個硅層上寫一些東西，然后在上面再放置一個硅層，你仍然需要確定你的位置，將兩層中的元件對齊。我們展示的技術能夠實現5納米的對齊精度，這是相當奇特的。”
最后，研究人員們能夠“單次”測量出三維器件的量子位輸出，也就是說，依靠一次精準的測量，而不是必須依靠幾百萬次實驗的平均值。 Keizer 博士解釋道：“這將進一步幫助我們更快地擴大規模。”
價值
Simmons 教授表示，這項研究是這一領域的一個重要里程碑。她說：“我們正在系統性地展開工作，朝著讓我們走向這項技術最終商業化的大規模架構邁進。”
她總結道：“雖然我們離大規模商用的量子計算機至少還有十年之遙，但 CQC2T 的工作還是處于這一領域的前沿。諸如此類的具體成果，向國際重申了我們在這方面處于強有力的地位。”
