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近日，麻省理工学院（MIT）、米特雷公司（Mitre Corporation）、代尔夫特理工大学、美国陆军研究实验室、明斯特大学和康奈尔大学的研究人员，展示了一种可扩展的模块化硬件平台，该平台将数千个互连的量子比特集成到定制的集成电路上。这种“量子片上系统”（quantum system-on-chip，QSoC）架构使研究人员能够精确地调谐并控制如此密集的量子比特阵列，进而可以使用光网络连接多个芯片来创建大规模量子通信网络。同时，研究人员认为，他们基于钻石颜色中心的微芯片可能有助于实现实际的量子计算。这种芯片上的量子系统（QSoC）能够有效地控制大量的量子比特阵列，在走向广泛的量子计算的道路上又向前迈进了一步。
相关研究成果于2024年5月29日，以“Heterogeneous integration of spin–photon interfaces with a CMOS platform“为题发表于Nature。
用量子SoC调谐量子比特
在麻省理工学院，研究人员推出了一种新的量子芯片系统（ QSoC ）结构 ，以满足控制，调谐和缩放密集的量子比特阵列的需求。要扩展量子系统，可以将多个芯片与光网络连接，以创建更大的量子通信网络。
该架构将量子微芯片二维阵列中的数千个可单独寻址的锡空位自旋量子比特集成到专为低温控制而设计的专用集成电路中。随后演示了关键的制造步骤和架构子组件，包括通过“锁定和释放”（lock-and-release）方法实现大规模异构集成的QSoC传输、高通量自旋量子比特校准和光谱调谐，以及高效的自旋态制备与测量。
QSoC体系结构的核心是“纠缠复用”协议，这使得研究人员能够在11个不同的频率通道上调谐量子比特。QSoC模块本身包含CMOS专用集成电路（ASIC）。ASIC提供电压偏置，将量子比特的电子自旋频率调整到预先定义的频率集合。
这种QSoC架构通过跨自旋-光子频率通道的光谱调谐，支持量子存储器阵列的全连接性。测量结果表明，增加量子比特密度、更大的QSoC有源区和跨QSoC模块的光网络可令该架构设计具有进一步扩展的潜力。
来自钻石的量子比特
该团队花费数年时间完善了用于制造原子大小的量子比特微芯片二维阵列的复杂加工，并将数千个微芯片转移到精心准备的互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片上。这一转移操作可以在一道步骤中执行。
该研究团队使用的是金刚石色心量子比特。在量子计算中，钻石中的色心可以作为“人造原子。”菱形色心是紧凑的固态系统，具有较长的相干时间。这意味着，由于钻石环境的清洁，量子比特可以保持较长时间的稳定。此外，金刚石色心具有光子界面，允许它们与不相邻的其他量子比特远程纠缠或连接，具备可扩展性优势。目前，金刚石色心已成为推进量子技术的领先固态平台。
麻省理工学院的研究人员利用金刚石颜色中心的光谱频率，通过对它们进行电压调整来与每个单个原子进行通信。为了克服跨千兆位通信的挑战，该团队在CMOS芯片上集成了大量的金刚石颜色中心，以创建相应调谐量子比特的指针。
为了构建这种QSoC，研究人员开发了一种制造工艺，将金刚石色心“微芯片”大规模转移到CMOS背板上。研究人员用一块金刚石制作了一组金刚石色心微芯片，然后，他们对一个CMOS芯片进行后处理，以添加与金刚石微芯片阵列相匹配的微型插座。最后，该团队使用内部设置应用锁定和释放过程将微芯片转移到CMOS芯片的插槽中。
负责QSoC研究的一名研究生表示，该团队已经“在麻省理工学院的无尘室中重复并开发了制造这些金刚石纳米结构的配方。”经过几年的开发，该配方包括19个纳米制造步骤，以产生金刚石量子微芯片。
