【芯闻时译】推进用于量子计算的硅自旋量子比特研究

来源：《半导体芯科技》编译

英特尔发布了其最新的量子研究芯片Tunnel Falls，这是一款12量子比特的硅芯片，英特尔正在向量子研究界提供该芯片。此外，英特尔正在与马里兰大学学院帕克分校的物理科学实验室（LPS）、国家级量子信息科学（QIS）研究中心Qubit Collaboratory（LQC）合作，推进量子计算研究。

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英特尔量子硬件总监Jim Clarke评论说："Tunnel Falls是英特尔迄今为止最先进的硅自旋量子比特芯片，利用了公司数十年的晶体管设计和制造专业知识。新芯片的发布是英特尔构建全栈商用量子计算系统长期战略的下一步。虽然在通往容错量子计算机的道路上仍有一些基本问题和挑战必须解决，但学术界现在可以探索这项技术并加速研究开发。

目前，学术机构还没有像英特尔那样的大批量制造设备。有了Tunnel Falls，研究人员可以立即开始实验和研究工作，而不必自己尝试制造设备。因此，更广泛的实验成为可能，包括学习更多有关量子比特和量子点的基本原理，以及开发新技术来处理具有多个量子比特的器件。

为了进一步解决这一问题，英特尔正在通过美国陆军研究办公室与 LQC 合作，作为计算代工量子比特 （QCF） 计划的一部分，向研究实验室提供英特尔的新型量子芯片。与LQC的合作将有助于硅自旋量子比特的民主化，使研究人员能够获得使用这些量子比特规模阵列的实践经验。该倡议旨在加强劳动力发展，为新的量子研究打开大门，并发展整个量子生态系统。

首批参与该计划的量子实验室包括LPS、桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）、罗切斯特大学（University of Rochester）和威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）。LQC将与英特尔合作，向更多的大学和研究实验室提供Tunnel Falls。从这些实验中收集到的信息将与社区共享，以推动量子研究，帮助英特尔提高量子比特的性能和可扩展性。

LPS量子信息科学主管Charles Tahan表示："LPS量子比特合作实验室与陆军研究办公室合作，寻求解决量子比特开发面临的艰巨挑战，并培养下一代科学家，他们将创造未来的量子比特。英特尔的参与是探索自旋量子比特及其量子信息处理前景民主化的一个重要里程碑，体现了LQC将工业界、学术界、国家实验室和政府紧密联系在一起的使命。”

“桑迪亚国家实验室很高兴成为Tunnel Falls芯片的受赠者。该设备是一个灵活的平台，使桑迪亚的量子研究人员能够直接比较不同的量子比特编码并开发新的量子比特操作模式，这在以前是不可能的。”桑迪亚国家实验室杰出技术人员Dwight Luhman博士说：“这种复杂程度使我们能够在多量子比特机制中创新新型量子操作和算法，并加快我们在硅基量子系统中的学习速度。Tunnel Falls的预期可靠性也将使桑迪亚能够快速上岗并培训从事硅量子比特技术的新员工。”

威斯康星大学麦迪逊分校物理系系主任兼John Bardeen物理学教授Mark A. Eriksson表示：“威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在硅量子比特的开发上投入了二十年的时间，他们非常高兴能够合作推出LQC。学生们有机会使用工业设备，而这些设备得益于英特尔的微电子专业知识和基础设施，这为技术进步以及教育和劳动力发展提供了重要机会。”

Tunnel Falls是英特尔向研究界发布的首款硅自旋量子比特器件。这款 12-qubit器件在D1制造工厂的300毫米晶圆上制造，利用了英特尔最先进的晶体管工业制造能力，例如极紫外光刻（EUV）以及栅极和触点处理技术。在硅自旋量子位中，信息（0/1）通过单个电子的自旋（上/下）进行编码。每个量子比特器件本质上都是一个单电子晶体管，这使得英特尔能够采用与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑处理线类似的流程来制造它。

英特尔认为，硅自旋量子比特优于其他量子比特技术，因为它们与最先进的晶体管具有协同作用。硅自旋量子比特只有晶体管大小，比其他约50纳米见方的量子比特小100万倍，因此有可能实现高效扩展。据Nature Electronics（《自然-电子》杂志）报道，"硅可能是最有潜力实现量子计算规模化的平台"。

同时，利用先进的CMOS制造生产线，英特尔可以使用创新的工艺控制技术来实现良率和性能。例如，Tunnel Falls 12-qubit器件的整个晶圆良品率为95%，电压均匀性与CMOS逻辑工艺类似，每个晶圆可提供超过24,000个量子点器件。这些12-dot 芯片可以形成4到12个量子比特，根据大学或实验室的系统运行方式，这些量子比特可以被隔离并同时用于操作。

英特尔将继续努力提高Tunnel Falls的性能，并通过英特尔量子软件开发工具包（SDK）将其集成到完整的量子堆栈中。此外，英特尔已经在开发基于Tunnel Falls的下一代量子芯片，预计将于2024年发布。未来，英特尔计划与全球更多研究机构合作，构建量子生态系统。

审核编辑 黄宇