盧森堡科學技術研究所布局：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)新重構全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。從超導量子計算原型機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)的新紀元。

近日，盧森堡科學技術研究所（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。

盧森堡量子材料研究小組負責人Florian Kaiser，研究了一項基于標準半導體技術的可擴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，為半導體代工廠提供經(jīng)濟高效的生產(chǎn)可能性。

量子技術：重構全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局

量子材料團隊負責人 Florian Kaiser 博士表示：“通過利用和控制量子力學的復雜特性，我們有可能釋放出遠遠超出當今標準的新型數(shù)字技術。”

量子計算機可以解決傳統(tǒng)機器無法解決的復雜數(shù)學問題。量子模擬器可以發(fā)現(xiàn)新的智能高效材料，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的社會。另外量子傳感器可以實現(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。量子通信可以實現(xiàn)絕對安全的互聯(lián)網(wǎng)，包括量子云服務。

量子技術挑戰(zhàn)

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

量子技術走向市場面臨的兩個最大障礙是：

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

（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。

推動量子技術超越現(xiàn)狀的藍圖

當前量子技術存在的問題可能聽起來很熟悉。

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

20世紀60年代末，這種情況發(fā)生了徹底的改變：隨著集成半導體微芯片的興起，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準，從而為近幾十年的數(shù)字技術鋪平了道路。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。

量子技術的未來愿景

盧森堡科學技術研究所 (LIST) 量子材料團隊負責人 Florian Kaiser 博士表示，量子技術的最新進展證明，現(xiàn)在可以開發(fā)基于單片量子片上系統(tǒng)的可擴展平臺。

這項技術的核心是基于半導體晶體中光學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行了一系列令人矚目的實驗，然而，由于鉆石供應有限，以及缺乏大規(guī)模鉆石制造設施，實驗的可擴展性受到了挑戰(zhàn)。因此，最近的研究重點是尋找更符合工業(yè)要求的材料來替代鉆石。

碳化硅：量子技術有前途的半導體平臺

大約十年前，該團隊研究人員開始研究碳化硅的色心，碳化硅是業(yè)界領先的高功率半導體。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計的可重復性。

“為了提高色心的可重復性，我們必須優(yōu)化生產(chǎn)線上的每一個步驟，”Kaiser 博士說道。“簡而言之，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構時，盡量減少不必要的晶體損傷。”

為了加速這項研究，該團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，要實現(xiàn)高度可重復的光子量子芯片，應該利用現(xiàn)有半導體代工廠的專業(yè)納米制造技術，這將需要學術界和工業(yè)界合作伙伴之間更緊密的互動，并可能通過實時操作系統(tǒng)（RTO）進行調(diào)解。

目前主要存在3點挑戰(zhàn)：

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

Kaiser 博士的團隊將努力應對這些挑戰(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博士補充道：“碳化硅與其他前景廣闊的量子技術平臺相比，其獨特之處在于它是一種成熟的工業(yè)半導體。這使得我們能夠使用標準電子設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鍵。此外，目前已有許多碳化硅代工廠，這意味著一旦達到臨界點，就可以實現(xiàn)大規(guī)模、經(jīng)濟高效的量子芯片制造。”

接下來，該量子材料小組將專注于開發(fā)用于量子技術的半導體量子硬件。重點研究對象是半導體碳化硅 (SiC)，其與高功率電子行業(yè)的協(xié)同效應為工業(yè)規(guī)模的量子芯片制造鋪平了道路。另外該團隊的研究將現(xiàn)有的制造方法擴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，以及與應用相關的量子基準測試。

未來幾年的實際應用

碳化硅色心相關的卓越量子存儲器可用于建立量子中繼節(jié)點，這是目前唯一已知的實現(xiàn)長距離完全安全量子通信網(wǎng)絡的方法。接下來，該團隊將碳化硅量子芯片用于下一代應用，包括量子通信、量子計算和量子傳感。該團隊致力于推進三項研究方向：

可擴展半導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：

表面電荷鈍化方法
光子納米結構中的費米能級控制
實現(xiàn)最大光子效率的光學傳感器

量子技術應用：

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，你準備好了嗎？

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