MIT-onderzoekers hebben een proces ontwikkeld om "kunstmatige atomen, " gecreëerd door atomaire defecten in microscopisch dunne schijfjes diamant, met fotonische circuits, produceren van de grootste kwantumchip in zijn soort.

De prestatie "markeert een keerpunt" op het gebied van schaalbare kwantumprocessors, zegt Dirk Englund, een universitair hoofddocent bij de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen van het MIT. Miljoenen kwantumprocessors zullen nodig zijn om kwantumcomputers te bouwen, en het nieuwe onderzoek toont een haalbare manier aan om de productie van processors op te schalen, hij en zijn collega's noteren.

In tegenstelling tot klassieke computers, die informatie verwerken en opslaan met behulp van bits die worden weergegeven door 0s en 1s, kwantumcomputers werken met kwantumbits, of qubits, die 0 kan vertegenwoordigen, 1, of beide tegelijk. Door deze vreemde eigenschap kunnen kwantumcomputers tegelijkertijd meerdere berekeningen uitvoeren, het oplossen van problemen die voor klassieke computers onoverkomelijk zouden zijn.

De qubits in de nieuwe chip zijn kunstmatige atomen gemaakt van defecten in diamant, die kan worden geprikkeld met zichtbaar licht en microgolven om fotonen uit te zenden die kwantuminformatie bevatten. Het proces, die Englund en zijn team beschrijven in Natuur , is een hybride benadering, waarin zorgvuldig geselecteerde "quantum-microchiplets" met meerdere op diamanten gebaseerde qubits op een fotonisch geïntegreerd circuit van aluminiumnitride worden geplaatst.

"In de afgelopen 20 jaar van kwantumtechnologie, het was de ultieme visie om dergelijke kunstmatige qubit-systemen te produceren met volumes die vergelijkbaar zijn met geïntegreerde elektronica, ", zegt Englund. "Hoewel er opmerkelijke vooruitgang is geboekt op dit zeer actieve onderzoeksgebied, fabricage- en materiaalcomplicaties hebben tot nu toe slechts twee tot drie emitters per fotonisch systeem opgeleverd."

Met behulp van hun hybride methode, Englund en collega's waren in staat om een ​​128-qubit-systeem te bouwen - de grootste geïntegreerde kunstmatige atoom-fotonica-chip tot nu toe.

Kwaliteitscontrole voor chiplets

De kunstmatige atomen in de chiplets bestaan ​​uit kleurcentra in diamanten, defecten in het koolstofrooster van diamant waar aangrenzende koolstofatomen ontbreken, met hun ruimtes ofwel gevuld door een ander element of leeg gelaten. In de MIT-chiplets, de vervangende elementen zijn germanium en silicium. Elk centrum functioneert als een atoomachtige emitter waarvan de spintoestanden een qubit kunnen vormen. De kunstmatige atomen zenden gekleurde lichtdeeltjes uit, of fotonen, die de kwantuminformatie dragen die wordt weergegeven door de qubit.

Diamantkleurcentra zijn goede solid-state qubits, maar "het knelpunt met dit platform is eigenlijk het bouwen van een systeem- en apparaatarchitectuur die kan schalen tot duizenden en miljoenen qubits, Wan legt uit. "Kunstmatige atomen zitten in een vast kristal, en ongewenste contaminatie kan invloed hebben op belangrijke kwantumeigenschappen zoals coherentietijden. Verder, variaties binnen het kristal kunnen ervoor zorgen dat de qubits van elkaar verschillen, en dat maakt het moeilijk om deze systemen op te schalen."

In plaats van te proberen een grote kwantumchip volledig in diamant te bouwen, de onderzoekers kozen voor een modulaire en hybride aanpak. "We gebruiken halfgeleiderfabricagetechnieken om deze kleine stukjes diamant te maken, waaruit we alleen de hoogste kwaliteit qubit-modules selecteren, ", zegt Wan. "Vervolgens integreren we die chiplets stuk voor stuk in een andere chip die de chiplets aan elkaar 'bedraadt' tot een groter apparaat."

De integratie vindt plaats op een fotonisch geïntegreerd circuit, die analoog is aan een elektronische geïntegreerde schakeling, maar fotonen gebruikt in plaats van elektronen om informatie te dragen. Fotonica biedt de onderliggende architectuur om fotonen met weinig verlies tussen modules in het circuit te routeren en te schakelen. Het circuitplatform is aluminiumnitride, in plaats van het traditionele silicium van sommige geïntegreerde schakelingen.

Met behulp van deze hybride benadering van fotonische circuits en diamantchiplets, de onderzoekers konden 128 qubits op één platform aansluiten. De qubits zijn stabiel en hebben een lange levensduur, en hun emissies kunnen binnen het circuit worden afgestemd om spectraal niet te onderscheiden fotonen te produceren, volgens Wan en collega's.

Een modulaire aanpak

Hoewel het platform een ​​schaalbaar proces biedt om kunstmatige atoom-fotonica-chips te produceren, de volgende stap zal zijn om "het aan te zetten, " bij wijze van spreken, om zijn verwerkingsvaardigheden te testen.

"Dit is een proof of concept dat solid-state qubit-stralers zeer schaalbare kwantumtechnologieën zijn, ", zegt Wan. "Om kwantuminformatie te verwerken, de volgende stap zou zijn om deze grote aantallen qubits te beheersen en ook interacties tussen hen te induceren."

De qubits in dit type chipontwerp hoeven niet per se deze specifieke diamantkleurcentra te zijn. Andere chipontwerpers kunnen andere soorten diamantkleurcentra kiezen, atomaire defecten in andere halfgeleiderkristallen zoals siliciumcarbide, bepaalde halfgeleider quantum dots, of zeldzame-aarde-ionen in kristallen. "Omdat de integratietechniek hybride en modulair is, we kunnen het beste materiaal kiezen dat geschikt is voor elk onderdeel, in plaats van te vertrouwen op de natuurlijke eigenschappen van slechts één materiaal, waardoor we de beste eigenschappen van elk verschillend materiaal in één systeem kunnen combineren, " zegt Lu.

Een manier vinden om het proces te automatiseren en verdere integratie met opto-elektronische componenten zoals modulatoren en detectoren te demonstreren, zal nodig zijn om nog grotere chips te bouwen die nodig zijn voor modulaire kwantumcomputers en meerkanaals kwantumrepeaters die qubits over lange afstanden transporteren, zeggen de onderzoekers.

Andere auteurs op de Natuur paper omvatten MIT-onderzoekers Noel H. Wan, Tsung-Ju Lu, Kevin C. Chen, Michael P. Walsh, Matthew E. Trusheim, Lorenzo de Santis, Eric A. Bersin, Isaac B. Harris, Sara L. Mouradian en Ian R. Christen; met Edward S. Bielejec bij Sandia National Laboratories.