在IEEE国际电子设备会议(IEDM2020)上，研发中心IMEC展示了第一个用于在300 mm晶圆上集成硅自旋量子位的灵活硬件平台。来自IMEC的物理学家还提出了新颖的方法来操作线性阵列中的多个量子位，以及在低温下将经典电子学与量子电路相结合。这些是大规模硅量子处理器发展中的重要一步，被认为是IEDM上的一项关键新兴技术。

未来的量子计算机将基于什么技术?量子竞赛中尚无明确的获胜者。第一代商用量子计算机的发展主要依靠超导量子位或捕获的离子，但是基于半导体自旋量子位的量子计算机正在取得长足进步。最近几年，基于硅的量子点系统在实验室环境中表现出长相干时间和高保真度操作。硅基量子位吸引潜在的大规模量子处理器使用，因为它们与微芯片行业处理了半个多世纪的技术兼容。这些完善的工艺可实现大批量生产，这在可扩展性方面使半导体量子位变得方便。但是将现有的量子位原型扩展到几个量子位阵列需要先进的制造技术。

为了应对这一挑战，IMEC充分利用了其300毫米晶圆厂的专业知识，并开发了一种工艺，该工艺可以最佳地结合光学和电子束光刻技术来制造硅自旋量子比特。该设计平台基于行业标准的300毫米硅晶圆制造技术，而不是专门的实验室工艺。从实验室到制造厂的转变不会失去任何灵活性：该平台可实现动态布局设计修改。这种灵活性允许在300毫米晶圆上合并不同的结构，从双量子点器件到一维量子位阵列，如图1所示。

IMEC程序主管Iuliana Radu表示：“ 300毫米制造平台是第一个允许这种灵活的量子位设备设计的多功能硬件工具箱。”

针对IEDM 2020上新兴关键技术的聚焦会议介绍了用于硅自旋量子位的灵活集成平台。IMEC研究人员展示了操纵外部电路中单个量子点的能力，如图2所示。

“如果电子被困在一个量子点中，我们可以用一个射频信号来操纵它。我们可以控制电子自旋指向的角度，但是我们也能够改变相邻量子之间的隧道耦合。这是量子比特操作的前提条件。” IMEC的设备工程师李若宇解释说。

通过将量子比特研究转移到一个灵活的300毫米晶圆厂，迈出了发展大规模硅自旋量子处理器的第一步。Radu说：“下一步是使用该平台来进一步研究如何构建和操作大型量子比特阵列。” “我们也愿意与有兴趣利用我们的300 mm平台进入新兴的量子计算行业的初创公司合作。”

如何操作大量的量子位

同时，IMEC的量子小组已经在致力于这些后续步骤。能够控制一个qubit不足以进行大规模计算。您还需要处理该量子位与其最近的邻居之间的物理交互。IMEC理论物理学家George Simion解释说：“一旦我们可以构建和测量大量的量子比特，我们就需要弄清楚如何在该阵列中实现逻辑门。” 为了应对这一挑战，他提出了一种可扩展的方法来操作线性阵列中的多个量子位。该提议基于纳米磁体，并允许增加量子位阵列的大小，而量子位仍然可以单独处理。

将经典电子设备放入冰箱

建立全量子计算机的另一个挑战是将量子位与经典电路连接的工程问题。随着位数的增加，挑战变得越来越困难，因为您可能最终会陷入数百万条输入和输出线的纠结。“可以通过使经典接口电子设备更接近量子位来解决此布线问题。这意味着一些经典电子设备应放置在量子位所在的冰箱中，并在毫开尔文温度下工作。这已将研究方向对准了接口可以在低温下工作以驱动和读出多个量子位状态的电子设备，”扬·克兰宁克斯(Jan Craninckx)说，他被邀请在IEDM上发表有关驱动量子位所需的电路的演讲。

Iuliana Radu总结道：“要建立这种理解，就算是在标准CMOS上，仍需要进行大量研究。” “通往有用的量子计算机的道路充满了障碍，但是我们正在逐步朝着正确的方向前进，”

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