盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所布局：碳化硅量子科技產(chǎn)業(yè)

近年來，量子科技正以顛覆性創(chuàng)新重構(gòu)全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。從超導(dǎo)量子計算原型機(jī)的迭代突破到星地量子通信的萬公里級跨越，人類已邁入主動調(diào)控量子態(tài)的新紀(jì)元。

近日，盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所（LIST）發(fā)布，將開發(fā)量子芯片，這可能會徹底改變量子互聯(lián)網(wǎng)和量子計算機(jī)。

盧森堡量子材料研究小組負(fù)責(zé)人Florian Kaiser，研究了一項基于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體技術(shù)的可擴(kuò)展量子芯片的研究策略。這項項目旨在開發(fā)一種“量子片上系統(tǒng)”，在提升性能的同時，為半導(dǎo)體代工廠提供經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)可能性。

量子技術(shù)：重構(gòu)全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局

量子材料團(tuán)隊負(fù)責(zé)人 Florian Kaiser 博士表示：“通過利用和控制量子力學(xué)的復(fù)雜特性，我們有可能釋放出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)的新型數(shù)字技術(shù)。”

量子計算機(jī)可以解決傳統(tǒng)機(jī)器無法解決的復(fù)雜數(shù)學(xué)問題。量子模擬器可以發(fā)現(xiàn)新的智能高效材料，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的社會。另外量子傳感器可以實(shí)現(xiàn)無與倫比的靈敏度，用于從最小尺度（納米核磁共振成像）到最大尺度（引力波探測）的研究。量子通信可以實(shí)現(xiàn)絕對安全的互聯(lián)網(wǎng)，包括量子云服務(wù)。

量子技術(shù)挑戰(zhàn)

從根本上看，所有這些量子技術(shù)支柱都已展現(xiàn)出其潛力和能力。學(xué)術(shù)界和初創(chuàng)企業(yè)層面每天都有新的突破。

量子技術(shù)走向市場面臨的兩個最大障礙是：

（1）擴(kuò)大量子比特的數(shù)量，特別是將量子處理任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異的量子比特與優(yōu)秀的量子存儲器相結(jié)合。

（2）通過使用非奇異材料并受益于現(xiàn)有的經(jīng)典生產(chǎn)線來降低量子系統(tǒng)的成本。

推動量子技術(shù)超越現(xiàn)狀的藍(lán)圖

當(dāng)前量子技術(shù)存在的問題可能聽起來很熟悉。

20世紀(jì)30年代末的第一代經(jīng)典計算機(jī)基于數(shù)百到數(shù)千個真空管，可靠性不高，需要持續(xù)維護(hù)，并且耗電量高達(dá)數(shù)百千瓦。消費(fèi)市場潛力顯然非常渺茫。

20世紀(jì)60年代末，這種情況發(fā)生了徹底的改變：隨著集成半導(dǎo)體微芯片的興起，成本效益、處理器內(nèi)晶體管數(shù)量、能耗和可靠性都樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，從而為近幾十年的數(shù)字技術(shù)鋪平了道路。所有主要制造商（AMD、蘋果、英特爾、高通、三星）的最新趨勢是將處理器和內(nèi)存模塊集成在同一單片系統(tǒng)級芯片上，以最大限度地減少噪聲和信號損失的影響。

量子技術(shù)的未來愿景

盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所 (LIST) 量子材料團(tuán)隊負(fù)責(zé)人 Florian Kaiser 博士表示，量子技術(shù)的最新進(jìn)展證明，現(xiàn)在可以開發(fā)基于單片量子片上系統(tǒng)的可擴(kuò)展平臺。

這項技術(shù)的核心是基于半導(dǎo)體晶體中光學(xué)活性自旋的量子比特——即所謂的“色心”。色心基于其原本完美的主晶體中原子級微小的缺陷或雜質(zhì)，從而形成具有類似單原子量子特性的系統(tǒng)。色心發(fā)射的光子可以作為光子通信總線，例如在多個色心之間傳輸量子信息，或在量子互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)路由信息。色心的電子自旋可以作為量子處理和存儲的卓越總線：通過精確控制電子自旋，可以操縱色心附近數(shù)十個高度相干的核自旋量子比特，這些核自旋屬于當(dāng)今最優(yōu)秀的量子處理和存儲系統(tǒng)。

在過去的二十年里，人們利用鉆石中的色心進(jìn)行了一系列令人矚目的實(shí)驗，然而，由于鉆石供應(yīng)有限，以及缺乏大規(guī)模鉆石制造設(shè)施，實(shí)驗的可擴(kuò)展性受到了挑戰(zhàn)。因此，最近的研究重點(diǎn)是尋找更符合工業(yè)要求的材料來替代鉆石。

碳化硅：量子技術(shù)有前途的半導(dǎo)體平臺

大約十年前，該團(tuán)隊研究人員開始研究碳化硅的色心，碳化硅是業(yè)界領(lǐng)先的高功率半導(dǎo)體。多項研究表明，基于碳化硅色心的小規(guī)模量子處理器和量子存儲器可以直接與金剛石競爭。此外，首次嘗試將其微集成到光子量子芯片中，前景光明。未來幾年，將最大限度地提高高性能量子色心和集成光子量子芯片設(shè)計的可重復(fù)性。

“為了提高色心的可重復(fù)性，我們必須優(yōu)化生產(chǎn)線上的每一個步驟，”Kaiser 博士說道?！昂喍灾?，這要求我們在材料中創(chuàng)建色心時，或在潔凈室中蝕刻所需的光子納米結(jié)構(gòu)時，盡量減少不必要的晶體損傷?！?/span>

為了加速這項研究，該團(tuán)隊最近建立了一個高通量量子色心表征平臺，最大限度地擴(kuò)大了他們可以在合理的時間范圍內(nèi)研究的參數(shù)空間。

然而，要實(shí)現(xiàn)高度可重復(fù)的光子量子芯片，應(yīng)該利用現(xiàn)有半導(dǎo)體代工廠的專業(yè)納米制造技術(shù)，這將需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界合作伙伴之間更緊密的互動，并可能通過實(shí)時操作系統(tǒng)（RTO）進(jìn)行調(diào)解。

目前主要存在3點(diǎn)挑戰(zhàn)：

高通量量子表征平臺的開發(fā)
量子光電器件的發(fā)展
基于光譜和時間復(fù)用的量子芯片性能提升

Kaiser 博士的團(tuán)隊將努力應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，其中包括來自盧森堡政府（估計 450 萬歐元）和歐洲研究委員會（估計 300 萬歐元）的幾個重要項目資金的支持。

Kaiser博士補(bǔ)充道：“碳化硅與其他前景廣闊的量子技術(shù)平臺相比，其獨(dú)特之處在于它是一種成熟的工業(yè)半導(dǎo)體。這使得我們能夠使用標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備來抑制色心周圍的電荷噪聲，而這已被證明是最大化相干時間的關(guān)鍵。此外，目前已有許多碳化硅代工廠，這意味著一旦達(dá)到臨界點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)高效的量子芯片制造?！?/span>

接下來，該量子材料小組將專注于開發(fā)用于量子技術(shù)的半導(dǎo)體量子硬件。重點(diǎn)研究對象是半導(dǎo)體碳化硅 (SiC)，其與高功率電子行業(yè)的協(xié)同效應(yīng)為工業(yè)規(guī)模的量子芯片制造鋪平了道路。另外該團(tuán)隊的研究將現(xiàn)有的制造方法擴(kuò)展到高效量子色心的生成、光子集成電路 (PIC) 的納米制造、用于改善穩(wěn)定性和光譜特性的后處理，以及與應(yīng)用相關(guān)的量子基準(zhǔn)測試。

未來幾年的實(shí)際應(yīng)用

碳化硅色心相關(guān)的卓越量子存儲器可用于建立量子中繼節(jié)點(diǎn)，這是目前唯一已知的實(shí)現(xiàn)長距離完全安全量子通信網(wǎng)絡(luò)的方法。接下來，該團(tuán)隊將碳化硅量子芯片用于下一代應(yīng)用，包括量子通信、量子計算和量子傳感。該團(tuán)隊致力于推進(jìn)三項研究方向：

可擴(kuò)展半導(dǎo)體量子硬件平臺的開發(fā)：

絕緣體上碳化硅鍵合
光子量子芯片的大規(guī)模制造
高效創(chuàng)建量子色心
基于自旋的量子處理器和存儲器的高保真控制

量子硬件的后期制造改進(jìn)：

表面電荷鈍化方法
光子納米結(jié)構(gòu)中的費(fèi)米能級控制
實(shí)現(xiàn)最大光子效率的光學(xué)傳感器

量子技術(shù)應(yīng)用：

用于量子通信的自旋光子接口
分布式量子計算
量子傳感

總的來說，量子芯片風(fēng)口，未來已來！量子芯片的競賽，不僅是科技的博弈，更是國家戰(zhàn)略的角力。或許，我們這一代人將見證：科幻電影中的“瞬間計算”與“絕對安全”成為日常。未來已來，你準(zhǔn)備好了嗎？

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