最近，麻省理工學院（MIT）開發了一種方法，將位于金剛石薄片上的原子級缺陷（即所謂的“人造原子”）集成到更大規模的光子電路中。研究人員稱這一突破為可擴展量子處理器領域的轉折點，可能為組裝用于通用處理器的多路復用量子芯片指明方向。研究結果發表在《自然》雜志上。

　　量子計算機使用能夠同時表示0、1或兩者的量子位進行操作，有望令量子計算機能夠以一種經典處理器無法匹敵的方式同時執行多個計算。

　　“開發量子計算機和遠程量子網絡的一個核心挑戰是糾纏在許多單個可控量子位元之間的分布，”麻省理工學院在其發表的論文中指出。

　　金剛石中的顏色中心——金剛石碳晶格中相鄰碳原子缺失的缺陷——被認為是有效的固態人工原子量子位元，可以按需遠程糾纏和相干控制其他相關量子位，相干時間持續幾分鐘。

　　然而，將大量的人造原子與光子結構集成于一體，制造出大規模的量子信息處理系統，已被證明具有挑戰性。

　　麻省理工學院的Dick Englund表示：“在過去20年的量子工程中，以與集成電子學相當的規模去制造人造量子位系統一直以來都是我們的最終愿景。雖然近幾年，這一研究領域取得了顯著的進展，但到目前為止，由于制造和材料的復雜性，每個光子系統只能產生2到3個發射器。”

　　在麻省理工學院設計的芯片中，金剛石晶格結構的缺陷被鍺和硅取代，每個中心都像原子一樣，自旋狀態可以形成一個量子位元。每個量子位元所代表的量子信息隨后由它所發射的光子攜帶。

　　麻省理工學院的Noel Wan評論說：“這個平臺的瓶頸實際上是建立一個可以擴展到成千上萬個量子位元的系統和設備架構。不必要的污染會影響重要的量子特性，比如相干時間，而晶體內部的變化會導致量子位元彼此不同，令系統擴展變得困難。

　　麻省理工學院通過開發一種被稱為“混合方法”的定制制造操作來解決這個問題，在這種方法中，研究人員精心挑選，把包含多個鉆石量子位元的量子微晶片被放置在氮化鋁光子集成電路上。

　　Wan說：“我們使用半導體制造技術制造這些小的金剛石芯片，其中我們只選擇最高質量的量子位模組。然后，我們將這些小芯片一塊一塊地集成到另一塊芯片上，再將這些小芯片連接到一個更大的設備中。”

　　利用這種混合方法，麻省理工學院在氮化鋁平臺上構建了一個128位無缺陷的鍺空位和硅空位色心陣列，據說這是迄今為止最大的集成人工原子光子學芯片。

　　Wan說：“這是一個概念的證明，即固態量子比特發射器是伸縮性非常高的量子技術，為了處理量子信息，下一步將是控制這些大量的量子位元，并誘導它們之間發生相互作用。”