一种用于捕获离子量子计算机的开放式设计

一个国际研究团队开发了一种用于捕获离子量子计算机的开放式设计。

国际合作。由英国苏塞克斯大学领导，包括来自美国谷歌、丹麦奥胡斯大学、日本理化学研究所和德国锡根大学的科学家。他们开发了一种更简单的模块化设计，该设计使用电场来传输离子，而无需对齐激光束，从而实现了可扩展的架构。

使用捕获离子的小规模量子计算是通过将单个激光束对准单个离子来进行的，每个离子形成一个量子位。具有数十亿量子比特的大型机器需要数十亿个精确对准的激光器，这使其不切实际。

苏塞克斯量子技术中心主任、该项目的研究负责人温弗里德·亨辛格教授说：“多年来，人们都说完全不可能建造一台真正的量子计算机。”十多年来，他一直致力于捕获离子量子技术。

“通过我们的工作，我们不仅证明了它是可以做到的，而且我们已经交付了一个具体的建造计划来建造一台真正的大型机器。现在我们正在基于这种设计构建原型，”他说。

这些模块作为独立单元控制所有操作，并使用当前5nm技术可能实现的硅微制造技术构建。这些模块使用长波长（微波）俘获离子量子门，量子比特使用电场在各个模块之间传输。研究人员表示，这比使用光纤链路快100，000倍，并允许连接许多模块以构建大型设备。

可以在所提出的架构中实现高错误阈值表面纠错码以执行容错操作，并且该设计适用于其他俘获离子量子计算机架构，例如使用光子互连的方案。

量子计算机设计

每个模块都使用微型制造的离子阱X结阵列，其中捕获了两个或多个离子。它们具有三个不同的区域，分别是基于微波的门区、状态读出区和加载区。一旦离子被捕获在加载区，高保真离子穿梭操作将离子转移到门区。在那里，离子可以使用局部可调磁场单独寻址，并使用静态磁场梯度结合全局微波和射频场进行纠缠。

当需要检测量子比特的状态时，离子被转移到读出区，在那里全局激光场和片上光电探测器用于状态读出。第二种离子种类用于在不影响其内部状态的情况下对量子比特离子进行协同冷却。

所有相干量子操作均由片上电子设备执行和控制，仅依赖于全局微波和射频场。在这种架构中，激光仅用于状态准备和检测、光电离和交感神经冷却。这意味着激光束的要求可以比用于实现量子门的要求严格得多。激光束不需要具有高强度，也不需要是相位稳定的。

5nm工艺技术

X结结构的面积为2.5×2.5mm2，可以在硅片上大量制造，形成可扩展的量子计算机模块。总共1296个单独的X结可以单片制造到90×90-mm2的硅晶片上，与标准的150-mm晶片尺寸兼容。

然而，挑战在于电源。如果所有这些X结都电气连接在一起，则电容和功耗将变得太大而无法用高质量因数的标准螺旋谐振器驱动。因此，捕获离子的真空系统和冷却系统限制了模块的尺寸。

该团队使用是德科技的高级设计系统软件工具来模拟电气子模块中连接在一起的6×6结。这将电容保持在80pF以下，并且使用直径为15mm的紧凑型螺旋谐振器可以实现Q》200的品质因数。

实现高质量因数的另一个要求是使用具有低射频损耗的衬底，通常具有50kΩ·cm的体电阻率。紧凑型谐振器放置在模块下方的系统内部，并通过屏蔽电缆连接到电气子模块。所有谐振器都连接到相同的频率源，并且使用可变电容器将谐振电路调谐到与频率源谐振。

电气部分的紧密接近将导致谐振器之间的电容耦合，从而导致谐振器和相邻射频电极的相位匹配。仔细设计离子芯片上的连接路径，以避免相关射频电极之间出现不可忽略的相位差。

每个电气子模块具有1224个静态电压电极和108个单独的局部梯度电流线。所需的静态电压和电流由真空系统内的DAC提供，这些DAC在单独的硅基板上制造，这些硅基板使用TSV和晶圆堆叠技术连接到离子阱基板。

堆叠式读出电子设备

每个晶圆层都有四个DAC，总共有160个模拟输出（AD5370有足够的输出并用作示例，但需要以更高更新速率运行的修改版本），并结合所需的TSV和RC滤波器，占地面积不超过15×15mm2。产生足够多的模拟输出需要总共九层堆叠在一起的晶圆层。一个附加层用于容纳一个电子控制单元，该单元控制真空DAC和检测系统。

产生磁场梯度的嵌入式铜线的布线方式使得每个模块只需要四个大电流连接，但这些连接通过小横截面（~30×60μm2）的电线传递10A的大电流。这使得将产生的热量有效地分配并从模块中传输出去至关重要。此外，离子阱结构和真空电子设备耗散的功率也需要从模块中转移出去。通过将硅衬底冷却到100K以下可以避免线结构的熔化。

该团队建议使用集成到模块背面晶片中的液氮微通道冷却器来有效地去除模块中的热量。深沟槽被蚀刻到最后一个晶片的背面，形成液氮通过的通道。使用额外的硅晶片覆盖通道。用硅制造包括液体冷却器在内的整个模块可防止因不同热膨胀系数而产生的额外应力和晶片弯曲。

这些具有6x6子模块的模块中的每一个都可以作为具有1296个X结的独立小型量子处理器模块工作。

该研究是英国政府国家量子技术计划的一部分。

“通用量子计算机的可用性可能会对整个社会产生根本性影响。毫无疑问，制造大型机器仍然具有挑战性，但现在是时候将卓越的学术成果转化为实际应用，并利用英国在技术方面的优势，”温弗里德说。“我们很高兴与行业和政府合作实现这一目标。”