新型半導體芯片面世

美國麻省理工學院的研究團隊日前聯合一間企業展示了一個可擴展的模塊化硬體平台，該平台將數千個互連的量子比特集成到定制的電路上。這種量子片上系統(QSoC)架構能精確調諧和控制密集的量子比特陣列。多個芯片可通過光網絡連接起來，從而創建一個大規模的量子通信網絡，量子通信提供了原理上無條件安全的通信方式，可以大幅提升現有信息系統的安全性。

由金剛石色心製成的量子比特，是攜帶量子信息的“人造原子”。通過在十一個頻率通道上調整量子比特，該QSoC架構允許為大規模量子計算提出一種新的“糾纏複用”協議。

據悉，金剛石是已知天然物質中熱導率最高的材料，同時金剛石是寬禁帶半導體，具備擊穿場強高、載流子遷移率高、抗輻照等優點，在熱沉、大功率、高頻器件、光學視窗、量子信息等領域具有極大應用潛力。未來，隨着製造技術的進步和對金剛石的更深入研究，金剛石可能會成為製造高效、穩定、耐用的芯片的關鍵材料。為了構建QSoC，研究團隊開發了一種製造工藝，將金剛石色心“微芯片”大規模轉移到CMOS（互補金屬氧化物半導體）背板上。研究人員首先用一塊實心金剛石製作出金剛石色心“微芯片”陣列，還設計並製作了納米級光學天線，以更有效地收集這些色心量子比特在自由空間中發射的光子。然後，他們在半導體代工廠設計並規劃出芯片，並在潔淨室中對CMOS芯片進行後處理，添加與金剛石“微芯片”陣列相匹配的微尺度插槽。

研究團隊在實驗室建立了一個內部傳輸裝置，並應用鎖定和釋放流程將兩層集成在一起，方法是將金剛石“微芯片”鎖定在CMOS芯片的插槽中。由於金剛石“微芯片”與金剛石表面的結合力較弱，當他們水平釋放大塊金剛石時，“微芯片”會留在插槽中。

研究團隊展示了一個五百微米乘五百微米的區域轉移，該轉移區域包含一千○二十四個金剛石納米天線陣列，但他們可使用更大的金剛石陣列和更大的CMOS芯片來進一步擴大系統規模。事實上，隨着量子比特的增多，這種架構下調整頻率所需的實際電壓更小。

利用這項技術，研究團隊展示了一個擁有超過四千個量子比特的完整芯片，這些量子比特可調整到相同的頻率，同時保持其自旋和光學特性。他們還構建了一個數字孿生模型，將實驗與數字化建模聯繫起來，這有助於他們了解所觀察現象的根本原因，並確定如何有效地實現架構。

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