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英特尔向「量子计算微芯片」更近一步......

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发布时间：2024-05-06

 

在5月1日，《自然》杂志发表了一篇由英特尔公司撰写的研究论文，展示了他们最新的自旋量子比特的“均匀性”（uniformity）、保真度和测量统计数据。这一突破性的研究为硅基量子处理器的大规模生产和持续扩展开辟了新道路，满足了构建容错量子计算机的关键需求。

 

 
 
照片显示的是300毫米英特尔硅自旋量子比特晶圆
 
英特尔公司的量子硬件研究团队开发出了一种新型的300毫米低温探测技术。这种技术利用先进的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺，在整个晶圆上高效收集自旋量子比特器件的性能数据。
 
通过提高量子比特器件的产量并结合高通量测试工艺，研究人员能够收集更多数据来分析器件的均匀性。这一步骤对于量子计算机的规模化发展至关重要。此外，研究还显示，这些晶圆中的单电子器件在作为自旋量子比特使用时表现出色，实现了99.9%的门操作保真度——这是全CMOS工业制造的量子比特中所达到的最高保真度水平。
 
 
目前，作为潜在量子计算平台的各种材料制成的设备正在接受测试。其中，硅自旋量子比特与传统半导体晶体管的结构颇具相似性：晶体管通常具有三个端口（terminal），在一个端口（称为“门”）施加电压，可以建立一个允许电荷载流子流动的通道，控制其他两个端口（源极和漏极）间的电流。
 
晶体管是计算机的基本构件，其行为类似于电子开关：在一个称为门的终端上施加电压，通过在硅和另一种材料之间形成一个通道来控制其他两个终端（源极和漏极）之间的电流，电荷载流子可以通过该通道流动。此次，英特尔的科学家们成功地在一个300毫米的硅晶圆上开发出了这样一个阵列，其中包含高质量的量子比特器件
 
硅自旋量子比特虽具有类似晶体管的结构，但包含多个门，例如“势垒”（barrier）门，它打破电子通道，隔离出称为量子点的电子区域。通过精确控制另一种“柱塞”（plunger）门的电压，可从量子点中逐一移除电子，直至仅剩一个。这个电子的自旋状态可用作量子比特。
 
迄今，基于一个或两个自旋的硅量子比特系统已展现出低误差运行的能力。下一步挑战在于增加量子比特数量。
 
首个挑战是器件良率：即被认为能正常工作的器件比例。控制每个量子比特需要多个门，若任一门失效，则量子比特无法运作。这意味着，在扩展到包含多个量子比特的阵列时，功能量子比特的产量可能会呈指数级下降。
 
第二个挑战是量子点的产量。由于每个量子比特仅包含一个电子，电子对门电压的不稳定反应会干扰量子运算，甚至可能破坏其他电子的量子态。
 
还有均匀性问题。对于只包含几个量子比特的器件，各器件间的差异较小且可以单独控制以纠正这些变化。然而，在大规模的量子比特阵列中，尤其是那些排列在单一平面上的，操作和连接变得极其困难，因为这些组件非常微小，需要一定程度的共享控制，否则单个芯片上的布线量将变得难以管理。
 
尽管如此，半导体行业已解决了类似问题。经过数十年的研究和投入数十亿美元，数十亿晶体管已能作为单一功能单元协同工作，显示出极高的可靠性。然而，将顶尖的制造工艺从研究实验室转移到半导体工厂对量子比特而言并非易事。虽有研究团队成功实现这一转移，但利用半导体技术制造的量子比特在性能上仍难以与实验室中的最佳量子比特匹敌。
 
 
为了大规模制造最先进的量子比特，利用尖端半导体技术对器件进行精准表征是至关重要的，这有助于改进制造工艺和优化生产流程。然而，制造量子比特的过程可能包含成百上千个复杂步骤，优化任何单一步骤都需确保其他步骤保持不变，以准确评估其改进效果。
 
在传统半导体制造中，器件表征通常通过将其端口连接到微针阵列来进行，该阵列能够逐一测量晶圆上的每个器件，每小时收集成百上千个数据点。
 
英特尔的科学家们借鉴了这种方法，设计出一种自动化技术，用于表征连接成链状结构的多量子比特器件，这些器件集成在300毫米晶圆上。他们利用一种称为低温探测站的设备将整个晶圆冷却至约1开尔文（低于外太空的温度），以最小化热波动对量子点中单个电子的影响。此外，科学家们还开发了一套自动化控制门的操作方法，能够自动分离和检测最后一个电子，然后进行器件质量的分析和优化。这种方法不仅显著加快了表征过程，还使得制造流程能够迅速在单电子层面进行优化。通过多轮迭代优化，科学家们不仅报告了高器件产量，还实现了量子点的高产量，证明了能够在整个300毫米晶圆上成功隔离单个电子。
 
低温测试仪测量流程
 
利用低温探测仪的反馈优化工艺
 
12量子点晶圆阵列的阈值电压统计数据
 
300毫米晶圆的设备元件良率汇总
 
来自12QD阵列的单电子电压统计数据
 
这一成就标志着向可扩展硅量子比特阵列迈进的重要一步，同时也展示了半导体工程的强大能力。经过数十年的不懈努力，半导体工业已使数十亿晶体管能够作为一个功能单元协同工作。虽然物理尺寸的限制逐渐削弱了摩尔定律的效力，但这项研究表明，半导体行业的方法和技术仍然可以扩展到量子时代。
 
 
尽管英特尔的硅量子比特阵列开发在技术上取得了印象深刻的进展，但在实现大规模部署方面仍面临若干挑战。首先，器件的均匀性不足，尚不能实现对所有门的统一控制。其次，自旋量子比特的精确质量测定需要在低于当前低温探测站所能达到的温度下进行。此外，高效的量子算法需要量子比特在二维网格中相互连接，满足量子计算过程中的纠错需求，目前尚不清楚如何实现这一配置：到目前为止，纳米级器件及其密集的布线只能支持线性连接或非常小规模的平面阵列。
 
虽然其他量子平台已经实现了数百个量子比特的阵列，英特尔的自旋量子比特设备目前的记录仅为12个量子比特。为了实现数百万个统一量子比特的容错量子计算机，需要极其可靠的制造工艺。凭借在晶体管制造方面的深厚专长，英特尔有望利用其尖端的300毫米CMOS制造技术（该技术已在每个芯片上例行生产数十亿晶体管）在制造类似晶体管的硅自旋量子比特方面处于领先地位。
 
基于这些研究成果，英特尔计划继续推进这些技术，增加更多互连层，制造出具有更多量子比特和更高连接性的二维阵列，并在其工业生产流程中演示高保真双量子比特门。然而，当前的紧迫任务仍然是扩大量子器件的规模，并提高下一代量子芯片的性能。
 
参考链接：
[1]https://www.intel.com/content/www/us/en/newsroom/news/intel-quantum-research-published-in-nature.html#gs.8ee85h
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-024-01208-z

[3]https://quantumzeitgeist.com/intel-quantum-chip-scalable-quantum-processors/

 

 
 

 

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