一個國際研究團隊開發了一種用于捕獲離子量子計算機的開放式設計。

國際合作。由英國蘇塞克斯大學領導，包括來自美國谷歌、丹麥奧胡斯大學、日本理化學研究所和德國錫根大學的科學家。他們開發了一種更簡單的模塊化設計，該設計使用電場來傳輸離子，而無需對齊激光束，從而實現了可擴展的架構。

使用捕獲離子的小規模量子計算是通過將單個激光束對準單個離子來進行的，每個離子形成一個量子位。具有數十億量子比特的大型機器需要數十億個精確對準的激光器，這使其不切實際。

蘇塞克斯量子技術中心主任、該項目的研究負責人溫弗里德·亨辛格教授說：“多年來，人們都說完全不可能建造一臺真正的量子計算機。”十多年來，他一直致力于捕獲離子量子技術。

“通過我們的工作，我們不僅證明了它是可以做到的，而且我們已經交付了一個具體的建造計劃來建造一臺真正的大型機器。現在我們正在基于這種設計構建原型，”他說。

這些模塊作為獨立單元控制所有操作，并使用當前5nm技術可能實現的硅微制造技術構建。這些模塊使用長波長（微波）俘獲離子量子門，量子比特使用電場在各個模塊之間傳輸。研究人員表示，這比使用光纖鏈路快100，000倍，并允許連接許多模塊以構建大型設備。

可以在所提出的架構中實現高錯誤閾值表面糾錯碼以執行容錯操作，并且該設計適用于其他俘獲離子量子計算機架構，例如使用光子互連的方案。

量子計算機設計

每個模塊都使用微型制造的離子阱X結陣列，其中捕獲了兩個或多個離子。它們具有三個不同的區域，分別是基于微波的門區、狀態讀出區和加載區。一旦離子被捕獲在加載區，高保真離子穿梭操作將離子轉移到門區。在那里，離子可以使用局部可調磁場單獨尋址，并使用靜態磁場梯度結合全局微波和射頻場進行糾纏。

當需要檢測量子比特的狀態時，離子被轉移到讀出區，在那里全局激光場和片上光電探測器用于狀態讀出。第二種離子種類用于在不影響其內部狀態的情況下對量子比特離子進行協同冷卻。

所有相干量子操作均由片上電子設備執行和控制，僅依賴于全局微波和射頻場。在這種架構中，激光僅用于狀態準備和檢測、光電離和交感神經冷卻。這意味著激光束的要求可以比用于實現量子門的要求嚴格得多。激光束不需要具有高強度，也不需要是相位穩定的。

5nm工藝技術

X結結構的面積為2.5×2.5mm2，可以在硅片上大量制造，形成可擴展的量子計算機模塊。總共1296個單獨的X結可以單片制造到90×90-mm2的硅晶片上，與標準的150-mm晶片尺寸兼容。

然而，挑戰在于電源。如果所有這些X結都電氣連接在一起，則電容和功耗將變得太大而無法用高質量因數的標準螺旋諧振器驅動。因此，捕獲離子的真空系統和冷卻系統限制了模塊的尺寸。

該團隊使用是德科技的高級設計系統軟件工具來模擬電氣子模塊中連接在一起的6×6結。這將電容保持在80pF以下，并且使用直徑為15mm的緊湊型螺旋諧振器可以實現Q》200的品質因數。

實現高質量因數的另一個要求是使用具有低射頻損耗的襯底，通常具有50kΩ·cm的體電阻率。緊湊型諧振器放置在模塊下方的系統內部，并通過屏蔽電纜連接到電氣子模塊。所有諧振器都連接到相同的頻率源，并且使用可變電容器將諧振電路調諧到與頻率源諧振。

電氣部分的緊密接近將導致諧振器之間的電容耦合，從而導致諧振器和相鄰射頻電極的相位匹配。仔細設計離子芯片上的連接路徑，以避免相關射頻電極之間出現不可忽略的相位差。

每個電氣子模塊具有1224個靜態電壓電極和108個單獨的局部梯度電流線。所需的靜態電壓和電流由真空系統內的DAC提供，這些DAC在單獨的硅基板上制造，這些硅基板使用TSV和晶圓堆疊技術連接到離子阱基板。

堆疊式讀出電子設備

每個晶圓層都有四個DAC，總共有160個模擬輸出（AD5370有足夠的輸出并用作示例，但需要以更高更新速率運行的修改版本），并結合所需的TSV和RC濾波器，占地面積不超過15×15mm2。產生足夠多的模擬輸出需要總共九層堆疊在一起的晶圓層。一個附加層用于容納一個電子控制單元，該單元控制真空DAC和檢測系統。

產生磁場梯度的嵌入式銅線的布線方式使得每個模塊只需要四個大電流連接，但這些連接通過小橫截面（~30×60μm2）的電線傳遞10A的大電流。這使得將產生的熱量有效地分配并從模塊中傳輸出去至關重要。此外，離子阱結構和真空電子設備耗散的功率也需要從模塊中轉移出去。通過將硅襯底冷卻到100K以下可以避免線結構的熔化。

該團隊建議使用集成到模塊背面晶片中的液氮微通道冷卻器來有效地去除模塊中的熱量。深溝槽被蝕刻到最后一個晶片的背面，形成液氮通過的通道。使用額外的硅晶片覆蓋通道。用硅制造包括液體冷卻器在內的整個模塊可防止因不同熱膨脹系數而產生的額外應力和晶片彎曲。

這些具有6x6子模塊的模塊中的每一個都可以作為具有1296個X結的獨立小型量子處理器模塊工作。

該研究是英國政府國家量子技術計劃的一部分。

“通用量子計算機的可用性可能會對整個社會產生根本性影響。毫無疑問，制造大型機器仍然具有挑戰性，但現在是時候將卓越的學術成果轉化為實際應用，并利用英國在技術方面的優勢，”溫弗里德說。“我們很高興與行業和政府合作實現這一目標。”