【芯聞時譯】推進(jìn)用于量子計算的硅自旋量子比特研究

來源：《半導(dǎo)體芯科技》編譯

英特爾發(fā)布了其最新的量子研究芯片Tunnel Falls，這是一款12量子比特的硅芯片，英特爾正在向量子研究界提供該芯片。此外，英特爾正在與馬里蘭大學(xué)學(xué)院帕克分校的物理科學(xué)實驗室（LPS）、國家級量子信息科學(xué)（QIS）研究中心Qubit Collaboratory（LQC）合作，推進(jìn)量子計算研究。

△微型掃描儀在醫(yī)療技術(shù)中潛力巨大

英特爾量子硬件總監(jiān)Jim Clarke評論說："Tunnel Falls是英特爾迄今為止最先進(jìn)的硅自旋量子比特芯片，利用了公司數(shù)十年的晶體管設(shè)計和制造專業(yè)知識。新芯片的發(fā)布是英特爾構(gòu)建全棧商用量子計算系統(tǒng)長期戰(zhàn)略的下一步。雖然在通往容錯量子計算機(jī)的道路上仍有一些基本問題和挑戰(zhàn)必須解決，但學(xué)術(shù)界現(xiàn)在可以探索這項技術(shù)并加速研究開發(fā)。

目前，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)還沒有像英特爾那樣的大批量制造設(shè)備。有了Tunnel Falls，研究人員可以立即開始實驗和研究工作，而不必自己嘗試制造設(shè)備。因此，更廣泛的實驗成為可能，包括學(xué)習(xí)更多有關(guān)量子比特和量子點的基本原理，以及開發(fā)新技術(shù)來處理具有多個量子比特的器件。

為了進(jìn)一步解決這一問題，英特爾正在通過美國陸軍研究辦公室與 LQC 合作，作為計算代工量子比特 （QCF） 計劃的一部分，向研究實驗室提供英特爾的新型量子芯片。與LQC的合作將有助于硅自旋量子比特的民主化，使研究人員能夠獲得使用這些量子比特規(guī)模陣列的實踐經(jīng)驗。該倡議旨在加強(qiáng)勞動力發(fā)展，為新的量子研究打開大門，并發(fā)展整個量子生態(tài)系統(tǒng)。

首批參與該計劃的量子實驗室包括LPS、桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）、羅切斯特大學(xué)（University of Rochester）和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）。LQC將與英特爾合作，向更多的大學(xué)和研究實驗室提供Tunnel Falls。從這些實驗中收集到的信息將與社區(qū)共享，以推動量子研究，幫助英特爾提高量子比特的性能和可擴(kuò)展性。

LPS量子信息科學(xué)主管Charles Tahan表示："LPS量子比特合作實驗室與陸軍研究辦公室合作，尋求解決量子比特開發(fā)面臨的艱巨挑戰(zhàn)，并培養(yǎng)下一代科學(xué)家，他們將創(chuàng)造未來的量子比特。英特爾的參與是探索自旋量子比特及其量子信息處理前景民主化的一個重要里程碑，體現(xiàn)了LQC將工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、國家實驗室和政府緊密聯(lián)系在一起的使命?！?/p>

“桑迪亞國家實驗室很高興成為Tunnel Falls芯片的受贈者。該設(shè)備是一個靈活的平臺，使桑迪亞的量子研究人員能夠直接比較不同的量子比特編碼并開發(fā)新的量子比特操作模式，這在以前是不可能的?！鄙５蟻唶覍嶒炇医艹黾夹g(shù)人員Dwight Luhman博士說：“這種復(fù)雜程度使我們能夠在多量子比特機(jī)制中創(chuàng)新新型量子操作和算法，并加快我們在硅基量子系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)速度。Tunnel Falls的預(yù)期可靠性也將使桑迪亞能夠快速上崗并培訓(xùn)從事硅量子比特技術(shù)的新員工。”

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校物理系系主任兼John Bardeen物理學(xué)教授Mark A. Eriksson表示：“威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員在硅量子比特的開發(fā)上投入了二十年的時間，他們非常高興能夠合作推出LQC。學(xué)生們有機(jī)會使用工業(yè)設(shè)備，而這些設(shè)備得益于英特爾的微電子專業(yè)知識和基礎(chǔ)設(shè)施，這為技術(shù)進(jìn)步以及教育和勞動力發(fā)展提供了重要機(jī)會。”

Tunnel Falls是英特爾向研究界發(fā)布的首款硅自旋量子比特器件。這款 12-qubit器件在D1制造工廠的300毫米晶圓上制造，利用了英特爾最先進(jìn)的晶體管工業(yè)制造能力，例如極紫外光刻（EUV）以及柵極和觸點處理技術(shù)。在硅自旋量子位中，信息（0/1）通過單個電子的自旋（上/下）進(jìn)行編碼。每個量子比特器件本質(zhì)上都是一個單電子晶體管，這使得英特爾能夠采用與標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯處理線類似的流程來制造它。

英特爾認(rèn)為，硅自旋量子比特優(yōu)于其他量子比特技術(shù)，因為它們與最先進(jìn)的晶體管具有協(xié)同作用。硅自旋量子比特只有晶體管大小，比其他約50納米見方的量子比特小100萬倍，因此有可能實現(xiàn)高效擴(kuò)展。據(jù)Nature Electronics（《自然-電子》雜志）報道，"硅可能是最有潛力實現(xiàn)量子計算規(guī)?；钠脚_"。

同時，利用先進(jìn)的CMOS制造生產(chǎn)線，英特爾可以使用創(chuàng)新的工藝控制技術(shù)來實現(xiàn)良率和性能。例如，Tunnel Falls 12-qubit器件的整個晶圓良品率為95%，電壓均勻性與CMOS邏輯工藝類似，每個晶圓可提供超過24,000個量子點器件。這些12-dot 芯片可以形成4到12個量子比特，根據(jù)大學(xué)或?qū)嶒炇业南到y(tǒng)運行方式，這些量子比特可以被隔離并同時用于操作。

英特爾將繼續(xù)努力提高Tunnel Falls的性能，并通過英特爾量子軟件開發(fā)工具包（SDK）將其集成到完整的量子堆棧中。此外，英特爾已經(jīng)在開發(fā)基于Tunnel Falls的下一代量子芯片，預(yù)計將于2024年發(fā)布。未來，英特爾計劃與全球更多研究機(jī)構(gòu)合作，構(gòu)建量子生態(tài)系統(tǒng)。

審核編輯 黃宇