麻省理工学院的贝基·汉姆 信用:CC0公共领域 麻省理工学院的研究人员开发了一种制造和集成“人造原子”的方法，这种“人造原子”是由微观金刚石薄片中的原子级缺陷产生的，带有光子电路，生产出同类中最大的量子芯片
麻省理工学院电子工程和计算机科学系副教授德克·恩格隆德说，这一成就“标志着可扩展量子处理器领域的一个转折点”
他和他的同事指出，建造量子计算机需要数百万个量子处理器，新的研究展示了一种扩大处理器产量的可行方法
与经典计算机不同，经典计算机使用由0和1表示的比特来处理和存储信息，量子计算机使用量子比特来操作，量子比特可以同时表示0、1或两者
这种奇怪的特性使得量子计算机可以同时进行多重计算，解决经典计算机难以解决的问题
新芯片中的量子位是由金刚石中的缺陷制成的人造原子，可以用可见光和微波激发发射携带量子信息的光子
恩格隆德和他的团队在《自然》中描述了这一过程，这是一种混合方法，将精心挑选的包含多个金刚石基量子位的“量子微芯片”放置在氮化铝光子集成电路上
“在过去20年的量子工程中，以与集成电子相当的体积制造这种人工量子位系统一直是终极愿景，”恩格隆德说
“尽管在这一非常活跃的研究领域取得了显著的进展，但迄今为止，制造和材料的复杂性使得每个光子系统只能产生两到三个发射器
" 使用他们的混合方法，恩格隆德和他的同事们能够建造一个128个量子位的系统——迄今为止最大的集成人工原子光子学芯片
小芯片的质量控制 小芯片中的人造原子由钻石中的颜色中心、钻石碳晶格中相邻碳原子缺失的缺陷组成，它们的空间要么被不同的元素填充，要么空着
在麻省理工学院的小芯片中，替代元素是锗和硅
每个中心都像一个类似原子的发射器，其自旋态可以形成一个量子位
人造原子发出彩色的光粒子或光子，携带量子比特所代表的量子信息
万解释说，钻石色中心制造出很好的固态量子位，但“这个平台的瓶颈实际上是构建一个可以扩展到数千甚至数百万量子位的系统和设备架构。”
“人造原子在固体晶体中，不必要的污染会影响重要的量子特性，如相干时间
此外，晶体内的变化会导致量子位彼此不同，这使得很难对这些系统进行缩放
" 研究人员决定采用模块化和混合的方法，而不是试图完全在钻石中构建一个大的量子芯片
“我们使用半导体制造技术来制造这些小钻石芯片，从中我们只选择最高质量的量子位模块，”万说
“然后，我们将这些小芯片一块一块地集成到另一个芯片中，将这些小芯片“连接”到一个更大的设备中
" 集成发生在光子集成电路上，这类似于电子集成电路，但是使用光子而不是电子来携带信息
光子学提供了底层架构，以低损耗在电路中的模块之间路由和切换光子
电路平台是氮化铝，而不是一些集成电路的传统硅
使用这种光子电路和金刚石小芯片的混合方法，研究人员能够在一个平台上连接128个量子位
万和他的同事称，这些量子位稳定且寿命长，它们的发射可以在电路中进行调谐，以产生光谱上无法区分的光子
模块化方法 虽然该平台提供了一个可扩展的过程来生产人造原子光子芯片，但下一步将是“打开它”，也就是说，测试它的处理技能
“这是固态量子比特发射器是非常可扩展的量子技术的概念证明，”万说
“为了处理量子信息，下一步将是控制这些大量的量子位，并诱导它们之间的相互作用
" 这种芯片设计中的量子位不一定是这些特殊的钻石色中心
其他芯片设计者可能会选择其他类型的钻石色心、其他半导体晶体中的原子缺陷，如碳化硅、某些半导体量子点或晶体中的稀土离子
“因为集成技术是混合和模块化的，我们可以选择适合每个组件的最佳材料，而不是只依赖一种材料的自然属性，因此允许我们将每种不同材料的最佳属性组合成一个系统，”卢说
研究人员说，找到一种方法来自动化这一过程，并证明与调制器和探测器等光电元件的进一步集成，对于制造模块化量子计算机和长距离传输量子位的多通道量子中继器所需的更大芯片来说是必要的
《自然》杂志论文的其他作者包括麻省理工学院的研究员诺埃尔·H
万，陆宗驹，凯文
陈，迈克尔·P
马修·沃尔什
洛伦佐·德·森蒂斯峰，埃里克·阿
艾萨克·博辛
莎拉·哈里斯
穆拉迪安和伊恩·R
洗礼；和爱德华·S
桑迪亚国家实验室的比耶克
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