用于大型硅基量子计算机的双线性2D设备架构

量子计算机利用量子物理学的特性来处理大量数据，速度明显快于经典计算机。基本单位，即量子比特（或量子比特），同时以两种状态存在，因此可以同时筛选大量潜在结果。基于硅的量子位在量子计算机中的潜在用途非常有吸引力，因为它们与半导体行业中成熟的大批量制造工艺兼容。尽管如此，扩大量子比特的数量仍然是构建大规模量子计算机的障碍。虽然已经展示了小型阵列，但仍然缺乏一种可扩展以满足其优于传统计算机的要求的实用设计。

开发更大的量子计算机的一个瓶颈是如何排列量子比特的问题。高效的量子算法需要 2D 阵列，其中量子位可以与其邻居交互并由外部电路和设备访问。每个量子位都需要用于控制和读出的专用线，以及两个量子位之间通常几十纳米的小间距。因此，增加量子比特的数量使得访问阵列中心的量子比特变得困难。“我们为这一挑战提出了一个优雅的解决方案：硅量子位的双线性 2D 设计，其中每个量子位连接到其他四个量子位，”imec 的量子计算项目经理 Bogdan Govoreanu 说。“这种架构产生了一个紧凑的阵列，通过组合不同的量子比特耦合机制来实现四个的整体连接，

图 1：将方形 2D 晶格映射到等效双线性阵列上。交替的量子位行被转移到两个 1D 阵列中。交换相互作用将量子位耦合在同一个一维阵列中，而谐振器将它们连接在一维阵列之间（“光子互连”）。

解决量子位连接问题

“我们的设计基于拓扑映射 2D 方形晶格以形成所谓的双线性设计，其中交替的晶格行被转换为两行或 1D 阵列 [见图 1]，”Govoreanu 说。“通过将量子位排列成两行，它们始终保持可寻址，同时保持等效二维方格阵列中四个的目标连通性。这些数组也很容易扩展，因为我们只需要在一维中沿行扩展它们。两个 1D 阵列之间的连接不相交，因为它们连接在两个不同的平面上，由一个接地平面隔开以将它们彼此隔离 [图 2]。”

在这种架构中，每个量子位对应于限制在称为量子点的势阱中的电子的自旋方向。耦合这些量子比特对于“量子纠缠”是必要的，“量子纠缠”是量子计算机指数计算能力的基础。纠缠的量子位存储每个量子位的量子状态的所有可能组合（例如，对于两个量子位，这会产生四个值）。一维阵列中的量子点通过附近量子点中电子之间的自旋相互作用耦合，由此附近的电子自旋通过称为交换耦合的量子力学过程自然地相互作用。之间的量子点一维阵列通过使用超导材料制造的微波谐振器长距离（以毫米为单位）耦合。如此长的范围是可能的，因为当量子比特电子在两个量子点之间离域时，量子比特状态可以耦合到谐振器的光子模式。

图 2：连接一维阵列之间的量子位的谐振器示意图。谐振器放置在由接地层隔离的单独层中，以避免交叉。通过确保足够的间距，可以最大限度地减少同一层中的谐振器之间的串扰。

容忍错误

量子态非常脆弱，容易出错。这就是为什么建造大型量子计算机不仅仅是增加量子比特的数量；这也与他们对错误的抵抗力有关。由于量子计算机无法使用与经典计算机相同的纠错算法，因此它们依赖于具有“逻辑量子比特”的量子纠错技术，这是一种由数千个物理量子比特组成的复杂排列，用于对单个量子比特进行编码。“我们的设计与广泛接受的量子纠错方案，即表面代码兼容，它可以运行能够容忍特定量子比特错误的算法，”Govoreanu 说。

“据信，实现逻辑量子位的物理量子位的典型数量在 10 3到 10 4之间，具体取决于物理量子位的质量，”他补充说。“运行实际的大规模算法需要数百到数千个逻辑量子比特，这意味着总体物理量子比特数可能超过一百万。在本文中，我们描述了可行的量子纠错所需的相关量子资源，并详细分析了结构中所需的器件尺寸、可容忍的噪声规格和量子门操作时间 [图 3]。双线性架构需要约 36 mm 2的极其紧凑的量子逻辑区域，即使对于具有一百万个量子比特的系统也是如此。此外，定义量子点的谐振器和静电门很容易从双线性阵列的两侧访问，从而大大降低了布线扇出的复杂性。

“这种设计与当前的 CMOS 制造技术兼容，因此可以为未来大规模硅量子计算机的演示开辟道路，”Govoreanu 总结道。

图 3：量子组件随量子比特数缩放的总结。对于拥有一百万个量子比特的系统，仅占用 36 mm2 的空间，凸显了架构的紧凑性。

想知道更多？

阅读 FA Mohiyaddin, R. Li, S. Brebels, G. Simion, NI Dumoulin Stuyck, C. 的论文“Large-Scale 2D Spin-Based Quantum Processor with a Bi-Linear Architecture”中新型器件架构的所有细节。 Godfrin、M. Shehata、A. Elsayed、B. Gys、S. Kubicek、J. Jussot、Y. Canvel、S. Massar、P. Weckx、P. Matagne、M. Mongillo、B. Govoreanu 和 IP Radu，介绍了在 IEDM 2021 上，可在此处索取。

审核编辑 黄昊宇