Wetenschap
Onderzoeksteam demonstreert modulaire, schaalbare hardwarearchitectuur voor een kwantumcomputer
Maar om die prestaties te bereiken, is het bouwen van een systeem nodig met miljoenen onderling verbonden bouwstenen, de zogenaamde qubits. Het maken en controleren van zoveel qubits in een hardware-architectuur is een enorme uitdaging die wetenschappers over de hele wereld willen aangaan.
Om dit doel te bereiken hebben onderzoekers van MIT en MITRE een schaalbaar, modulair hardwareplatform gedemonstreerd dat duizenden onderling verbonden qubits integreert op een op maat gemaakt geïntegreerd circuit. Deze ‘quantum-system-on-chip’ (QSoC)-architectuur stelt de onderzoekers in staat een dichte reeks qubits nauwkeurig af te stemmen en te controleren. Meerdere chips kunnen met behulp van optische netwerken met elkaar worden verbonden om een grootschalig kwantumcommunicatienetwerk te creëren.
Door qubits over 11 frequentiekanalen af te stemmen, maakt deze QSoC-architectuur een nieuw voorgesteld protocol van "verstrengeling multiplexing" mogelijk voor grootschalige kwantumcomputers.
Het team heeft jarenlang een ingewikkeld proces geperfectioneerd voor het vervaardigen van tweedimensionale arrays van qubit-microchiplets ter grootte van een atoom en het overbrengen van duizenden daarvan naar een zorgvuldig voorbereide complementaire metaaloxide-halfgeleiderchip (CMOS). Deze overdracht kan in één stap worden uitgevoerd.
“We zullen een groot aantal qubits nodig hebben, en een grote controle daarover, om de kracht van een kwantumsysteem echt te benutten en bruikbaar te maken. We stellen een geheel nieuwe architectuur en een fabricagetechnologie voor die de schaalbaarheidsvereisten van een hardware kan ondersteunen. systeem voor een kwantumcomputer", zegt Linsen Li, een afgestudeerde student elektrotechniek en computerwetenschappen (EECS) en hoofdauteur van een artikel over deze architectuur.
Tot de co-auteurs van Li behoren Ruonan Han, universitair hoofddocent bij EECS, leider van de Terahertz Integrated Electronics Group en lid van het Research Laboratory of Electronics (RLE); senior auteur Dirk Englund, hoogleraar EECS, hoofdonderzoeker van de Quantum Photonics and Artificial Intelligence Group en van RLE; evenals anderen bij MIT, Cornell University, het Delft Institute of Technology, het Army Research Laboratory en de MITRE Corporation. Het papier verschijnt in Natuur .
Diamantmicrochiplets
Hoewel er veel soorten qubits zijn, kozen de onderzoekers ervoor om diamantkleurcentra te gebruiken vanwege hun schaalbaarheidsvoordelen. Ze gebruikten dergelijke qubits eerder om geïntegreerde kwantumchips met fotonische circuits te produceren.
Qubits gemaakt van diamantkleurcentra zijn ‘kunstmatige atomen’ die kwantuminformatie bevatten. Omdat diamantkleurcentra solid-state systemen zijn, is de productie van qubit compatibel met moderne halfgeleiderfabricageprocessen. Ze zijn ook compact en hebben relatief lange coherentietijden, wat verwijst naar de hoeveelheid tijd dat de toestand van een qubit stabiel blijft, dankzij de schone omgeving die door het diamantmateriaal wordt geboden.
Bovendien hebben diamantkleurcentra fotonische interfaces waardoor ze op afstand kunnen worden verstrengeld of verbonden met andere qubits die er niet aan grenzen.
“De conventionele veronderstelling in het veld is dat de inhomogeniteit van het diamantkleurcentrum een nadeel is vergeleken met identiek kwantumgeheugen zoals ionen en neutrale atomen. We maken van deze uitdaging echter een voordeel door de diversiteit van de kunstmatige atomen te omarmen:elk atoom heeft zijn eigen spectrale frequentie. Hierdoor kunnen we met individuele atomen communiceren door ze met een laser in resonantie te brengen, net zoals het afstemmen van de wijzerplaat op een kleine radio", zegt Englund.
Dit is vooral lastig omdat de onderzoekers dit op grote schaal moeten realiseren om de qubit-inhomogeniteit in een groot systeem te compenseren.
Om via qubits te kunnen communiceren, moeten meerdere van dergelijke ‘kwantumradio’s’ op hetzelfde kanaal worden aangesloten. Het bereiken van deze voorwaarde wordt vrijwel zeker wanneer wordt geschaald naar duizenden qubits.
Daartoe hebben de onderzoekers die uitdaging overwonnen door een groot aantal diamantkleurcentrumqubits te integreren op een CMOS-chip die de bedieningsknoppen levert. De chip kan worden voorzien van ingebouwde digitale logica die de spanningen snel en automatisch opnieuw configureert, waardoor de qubits volledige connectiviteit kunnen bereiken.
"Dit compenseert de inhomogene aard van het systeem. Met het CMOS-platform kunnen we snel en dynamisch alle qubit-frequenties afstemmen", legt Li uit.
Fabricage van vergrendeling en ontgrendeling
Om deze QSoC te bouwen, ontwikkelden de onderzoekers een fabricageproces om op grote schaal diamantkleurcentrum-microchiplets over te brengen naar een CMOS-backplane.
Ze begonnen met het vervaardigen van een reeks microchiplets met diamantkleurcentrum uit een massief blok diamant. Ze ontwierpen en vervaardigden ook optische antennes op nanoschaal die een efficiëntere verzameling van de fotonen mogelijk maken die worden uitgezonden door deze kleurcentrumqubits in de vrije ruimte.
Vervolgens ontwierpen en brachten ze de chip van de halfgeleidergieterij in kaart. In de cleanroom van MIT.nano hebben ze een CMOS-chip nabewerkt om microschaal sockets toe te voegen die overeenkomen met de diamanten microchiplet-array.
Ze bouwden een interne overdrachtsopstelling in het laboratorium en pasten een lock-and-release-proces toe om de twee lagen te integreren door de diamanten microchiplets in de sockets op de CMOS-chip te vergrendelen. Omdat de diamanten microchiplets zwak aan het diamantoppervlak zijn gebonden, blijven de microchiplets in de sockets wanneer ze de bulkdiamant horizontaal loslaten.
"Omdat we de fabricage van zowel de diamant als de CMOS-chip kunnen controleren, kunnen we een complementair patroon maken. Op deze manier kunnen we duizenden diamantchiplets tegelijkertijd in de overeenkomstige sockets overbrengen", zegt Li. P>
De onderzoekers demonstreerden een oppervlakteoverdracht van 500 bij 500 micron voor een array met 1.024 diamanten nanoantennes, maar ze konden grotere diamantarrays en een grotere CMOS-chip gebruiken om het systeem verder op te schalen. Ze ontdekten zelfs dat het afstemmen van de frequenties met meer qubits feitelijk minder spanning vereist voor deze architectuur.
"In dit geval, als je meer qubits hebt, zal onze architectuur nog beter werken", zegt Li.
Het team testte vele nanostructuren voordat ze de ideale microchiplet-array voor het lock-and-release-proces bepaalden. Het maken van kwantummicrochiplets is echter geen gemakkelijke taak, en het proces heeft jaren geduurd om het te perfectioneren.
"We hebben het recept herhaald en ontwikkeld om deze diamanten nanostructuren in de cleanroom van MIT te fabriceren, maar het is een zeer ingewikkeld proces. Er waren 19 nanofabricagestappen nodig om de diamanten kwantummicrochiplets te verkrijgen, en de stappen waren niet eenvoudig", voegt hij eraan toe.
Naast hun QSoC ontwikkelden de onderzoekers een aanpak om het systeem te karakteriseren en de prestaties ervan op grote schaal te meten. Om dit te doen, hebben ze een aangepaste cryo-optische metrologieopstelling gebouwd.
Met deze techniek demonstreerden ze een hele chip met meer dan 4.000 qubits die op dezelfde frequentie konden worden afgestemd met behoud van hun spin- en optische eigenschappen. Ze bouwden ook een digital twin-simulatie die het experiment verbindt met gedigitaliseerde modellering, waardoor ze de grondoorzaken van het waargenomen fenomeen kunnen begrijpen en kunnen bepalen hoe ze de architectuur efficiënt kunnen implementeren.
In de toekomst zouden de onderzoekers de prestaties van hun systeem kunnen verbeteren door de materialen die ze gebruikten om qubits te maken te verfijnen of door preciezere controleprocessen te ontwikkelen. Ze zouden deze architectuur ook kunnen toepassen op andere solid-state kwantumsystemen.