量子計(jì)算機(jī)利用量子物理學(xué)的特性來(lái)處理大量數(shù)據(jù)，速度明顯快于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。基本單位，即量子比特（或量子比特），同時(shí)以?xún)煞N狀態(tài)存在，因此可以同時(shí)篩選大量潛在結(jié)果。基于硅的量子位在量子計(jì)算機(jī)中的潛在用途非常有吸引力，因?yàn)樗鼈兣c半導(dǎo)體行業(yè)中成熟的大批量制造工藝兼容。盡管如此，擴(kuò)大量子比特的數(shù)量仍然是構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的障礙。雖然已經(jīng)展示了小型陣列，但仍然缺乏一種可擴(kuò)展以滿(mǎn)足其優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的要求的實(shí)用設(shè)計(jì)。

開(kāi)發(fā)更大的量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)瓶頸是如何排列量子比特的問(wèn)題。高效的量子算法需要 2D 陣列，其中量子位可以與其鄰居交互并由外部電路和設(shè)備訪問(wèn)。每個(gè)量子位都需要用于控制和讀出的專(zhuān)用線，以及兩個(gè)量子位之間通常幾十納米的小間距。因此，增加量子比特的數(shù)量使得訪問(wèn)陣列中心的量子比特變得困難。“我們?yōu)檫@一挑戰(zhàn)提出了一個(gè)優(yōu)雅的解決方案：硅量子位的雙線性 2D 設(shè)計(jì)，其中每個(gè)量子位連接到其他四個(gè)量子位，”imec 的量子計(jì)算項(xiàng)目經(jīng)理 Bogdan Govoreanu 說(shuō)。“這種架構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)緊湊的陣列，通過(guò)組合不同的量子比特耦合機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)四個(gè)的整體連接，

圖 1：將方形 2D 晶格映射到等效雙線性陣列上。交替的量子位行被轉(zhuǎn)移到兩個(gè) 1D 陣列中。交換相互作用將量子位耦合在同一個(gè)一維陣列中，而諧振器將它們連接在一維陣列之間（“光子互連”）。

解決量子位連接問(wèn)題

“我們的設(shè)計(jì)基于拓?fù)溆成?2D 方形晶格以形成所謂的雙線性設(shè)計(jì)，其中交替的晶格行被轉(zhuǎn)換為兩行或 1D 陣列 [見(jiàn)圖 1]，”Govoreanu 說(shuō)。“通過(guò)將量子位排列成兩行，它們始終保持可尋址，同時(shí)保持等效二維方格陣列中四個(gè)的目標(biāo)連通性。這些數(shù)組也很容易擴(kuò)展，因?yàn)槲覀冎恍枰谝痪S中沿行擴(kuò)展它們。兩個(gè) 1D 陣列之間的連接不相交，因?yàn)樗鼈冞B接在兩個(gè)不同的平面上，由一個(gè)接地平面隔開(kāi)以將它們彼此隔離 [圖 2]。”

在這種架構(gòu)中，每個(gè)量子位對(duì)應(yīng)于限制在稱(chēng)為量子點(diǎn)的勢(shì)阱中的電子的自旋方向。耦合這些量子比特對(duì)于“量子糾纏”是必要的，“量子糾纏”是量子計(jì)算機(jī)指數(shù)計(jì)算能力的基礎(chǔ)。糾纏的量子位存儲(chǔ)每個(gè)量子位的量子狀態(tài)的所有可能組合（例如，對(duì)于兩個(gè)量子位，這會(huì)產(chǎn)生四個(gè)值）。一維陣列中的量子點(diǎn)通過(guò)附近量子點(diǎn)中電子之間的自旋相互作用耦合，由此附近的電子自旋通過(guò)稱(chēng)為交換耦合的量子力學(xué)過(guò)程自然地相互作用。之間的量子點(diǎn)一維陣列通過(guò)使用超導(dǎo)材料制造的微波諧振器長(zhǎng)距離（以毫米為單位）耦合。如此長(zhǎng)的范圍是可能的，因?yàn)楫?dāng)量子比特電子在兩個(gè)量子點(diǎn)之間離域時(shí)，量子比特狀態(tài)可以耦合到諧振器的光子模式。

圖 2：連接一維陣列之間的量子位的諧振器示意圖。諧振器放置在由接地層隔離的單獨(dú)層中，以避免交叉。通過(guò)確保足夠的間距，可以最大限度地減少同一層中的諧振器之間的串?dāng)_。

容忍錯(cuò)誤

量子態(tài)非常脆弱，容易出錯(cuò)。這就是為什么建造大型量子計(jì)算機(jī)不僅僅是增加量子比特的數(shù)量；這也與他們對(duì)錯(cuò)誤的抵抗力有關(guān)。由于量子計(jì)算機(jī)無(wú)法使用與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相同的糾錯(cuò)算法，因此它們依賴(lài)于具有“邏輯量子比特”的量子糾錯(cuò)技術(shù)，這是一種由數(shù)千個(gè)物理量子比特組成的復(fù)雜排列，用于對(duì)單個(gè)量子比特進(jìn)行編碼。“我們的設(shè)計(jì)與廣泛接受的量子糾錯(cuò)方案，即表面代碼兼容，它可以運(yùn)行能夠容忍特定量子比特錯(cuò)誤的算法，”Govoreanu 說(shuō)。

“據(jù)信，實(shí)現(xiàn)邏輯量子位的物理量子位的典型數(shù)量在 10 3到 10 4之間，具體取決于物理量子位的質(zhì)量，”他補(bǔ)充說(shuō)。“運(yùn)行實(shí)際的大規(guī)模算法需要數(shù)百到數(shù)千個(gè)邏輯量子比特，這意味著總體物理量子比特?cái)?shù)可能超過(guò)一百萬(wàn)。在本文中，我們描述了可行的量子糾錯(cuò)所需的相關(guān)量子資源，并詳細(xì)分析了結(jié)構(gòu)中所需的器件尺寸、可容忍的噪聲規(guī)格和量子門(mén)操作時(shí)間 [圖 3]。雙線性架構(gòu)需要約 36 mm 2的極其緊湊的量子邏輯區(qū)域，即使對(duì)于具有一百萬(wàn)個(gè)量子比特的系統(tǒng)也是如此。此外，定義量子點(diǎn)的諧振器和靜電門(mén)很容易從雙線性陣列的兩側(cè)訪問(wèn)，從而大大降低了布線扇出的復(fù)雜性。

“這種設(shè)計(jì)與當(dāng)前的 CMOS 制造技術(shù)兼容，因此可以為未來(lái)大規(guī)模硅量子計(jì)算機(jī)的演示開(kāi)辟道路，”Govoreanu 總結(jié)道。

圖 3：量子組件隨量子比特?cái)?shù)縮放的總結(jié)。對(duì)于擁有一百萬(wàn)個(gè)量子比特的系統(tǒng)，僅占用 36 mm2 的空間，凸顯了架構(gòu)的緊湊性。

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閱讀 FA Mohiyaddin, R. Li, S. Brebels, G. Simion, NI Dumoulin Stuyck, C. 的論文“Large-Scale 2D Spin-Based Quantum Processor with a Bi-Linear Architecture”中新型器件架構(gòu)的所有細(xì)節(jié)。 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，介紹了在 IEDM 2021 上，可在此處索取。

審核編輯 黃昊宇