量子計算機利用量子物理學的特性來處理大量數據，速度明顯快于經典計算機。基本單位，即量子比特（或量子比特），同時以兩種狀態存在，因此可以同時篩選大量潛在結果。基于硅的量子位在量子計算機中的潛在用途非常有吸引力，因為它們與半導體行業中成熟的大批量制造工藝兼容。盡管如此，擴大量子比特的數量仍然是構建大規模量子計算機的障礙。雖然已經展示了小型陣列，但仍然缺乏一種可擴展以滿足其優于傳統計算機的要求的實用設計。

開發更大的量子計算機的一個瓶頸是如何排列量子比特的問題。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備訪問。每個量子位都需要用于控制和讀出的專用線，以及兩個量子位之間通常幾十納米的小間距。因此，增加量子比特的數量使得訪問陣列中心的量子比特變得困難。“我們為這一挑戰提出了一個優雅的解決方案：硅量子位的雙線性 2D 設計，其中每個量子位連接到其他四個量子位，”imec 的量子計算項目經理 Bogdan Govoreanu 說。“這種架構產生了一個緊湊的陣列，通過組合不同的量子比特耦合機制來實現四個的整體連接，

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移到兩個 1D 陣列中。交換相互作用將量子位耦合在同一個一維陣列中，而諧振器將它們連接在一維陣列之間（“光子互連”）。

解決量子位連接問題

“我們的設計基于拓撲映射 2D 方形晶格以形成所謂的雙線性設計，其中交替的晶格行被轉換為兩行或 1D 陣列 [見圖 1]，”Govoreanu 說。“通過將量子位排列成兩行，它們始終保持可尋址，同時保持等效二維方格陣列中四個的目標連通性。這些數組也很容易擴展，因為我們只需要在一維中沿行擴展它們。兩個 1D 陣列之間的連接不相交，因為它們連接在兩個不同的平面上，由一個接地平面隔開以將它們彼此隔離 [圖 2]。”

在這種架構中，每個量子位對應于限制在稱為量子點的勢阱中的電子的自旋方向。耦合這些量子比特對于“量子糾纏”是必要的，“量子糾纏”是量子計算機指數計算能力的基礎。糾纏的量子位存儲每個量子位的量子狀態的所有可能組合（例如，對于兩個量子位，這會產生四個值）。一維陣列中的量子點通過附近量子點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稱為交換耦合的量子力學過程自然地相互作用。之間的量子點一維陣列通過使用超導材料制造的微波諧振器長距離（以毫米為單位）耦合。如此長的范圍是可能的，因為當量子比特電子在兩個量子點之間離域時，量子比特狀態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層中，以避免交叉。通過確保足夠的間距，可以最大限度地減少同一層中的諧振器之間的串擾。

容忍錯誤

量子態非常脆弱，容易出錯。這就是為什么建造大型量子計算機不僅僅是增加量子比特的數量；這也與他們對錯誤的抵抗力有關。由于量子計算機無法使用與經典計算機相同的糾錯算法，因此它們依賴于具有“邏輯量子比特”的量子糾錯技術，這是一種由數千個物理量子比特組成的復雜排列，用于對單個量子比特進行編碼。“我們的設計與廣泛接受的量子糾錯方案，即表面代碼兼容，它可以運行能夠容忍特定量子比特錯誤的算法，”Govoreanu 說。

“據信，實現邏輯量子位的物理量子位的典型數量在 10 3到 10 4之間，具體取決于物理量子位的質量，”他補充說。“運行實際的大規模算法需要數百到數千個邏輯量子比特，這意味著總體物理量子比特數可能超過一百萬。在本文中，我們描述了可行的量子糾錯所需的相關量子資源，并詳細分析了結構中所需的器件尺寸、可容忍的噪聲規格和量子門操作時間 [圖 3]。雙線性架構需要約 36 mm 2的極其緊湊的量子邏輯區域，即使對于具有一百萬個量子比特的系統也是如此。此外，定義量子點的諧振器和靜電門很容易從雙線性陣列的兩側訪問，從而大大降低了布線扇出的復雜性。

“這種設計與當前的 CMOS 制造技術兼容，因此可以為未來大規模硅量子計算機的演示開辟道路，”Govoreanu 總結道。

圖 3：量子組件隨量子比特數縮放的總結。對于擁有一百萬個量子比特的系統，僅占用 36 mm2 的空間，凸顯了架構的緊湊性。

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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”中新型器件架構的所有細節。 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