Ma per raggiungere tali prestazioni è necessario costruire un sistema con milioni di elementi costitutivi interconnessi chiamati qubit. Realizzare e controllare così tanti qubit in un'architettura hardware è un'enorme sfida che gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di affrontare.

Verso questo obiettivo, i ricercatori del MIT e del MITRE hanno dimostrato una piattaforma hardware scalabile e modulare che integra migliaia di qubit interconnessi su un circuito integrato personalizzato. Questa architettura "quantum-system-on-chip" (QSoC) consente ai ricercatori di mettere a punto e controllare con precisione una fitta serie di qubit. È possibile collegare più chip utilizzando la rete ottica per creare una rete di comunicazione quantistica su larga scala.

Sintonizzando i qubit su 11 canali di frequenza, questa architettura QSoC consente un nuovo protocollo proposto di "multiplexing di entanglement" per il calcolo quantistico su larga scala.

Il team ha trascorso anni a perfezionare un processo complesso per la produzione di array bidimensionali di microchiplet qubit delle dimensioni di un atomo e il trasferimento di migliaia di essi su un chip CMOS (semiconduttore di ossido di metallo complementare) accuratamente preparato. Questo trasferimento può essere eseguito in un unico passaggio.

"Avremo bisogno di un gran numero di qubit e di un grande controllo su di essi, per sfruttare davvero la potenza di un sistema quantistico e renderlo utile. Stiamo proponendo un'architettura completamente nuova e una tecnologia di fabbricazione in grado di supportare i requisiti di scalabilità di un hardware sistema per un computer quantistico", afferma Linsen Li, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica (EECS) e autore principale di un articolo su questa architettura.

I coautori di Li includono Ruonan Han, professore associato in EECS, leader del Terahertz Integrated Electronics Group e membro del Research Laboratory of Electronics (RLE); l'autore senior Dirk Englund, professore di EECS, ricercatore principale del Quantum Photonics and Artificial Intelligence Group e di RLE; così come altri al MIT, alla Cornell University, al Delft Institute of Technology, all'Army Research Laboratory e alla MITRE Corporation. Il documento appare in Nature .

Microchiplet di diamante

Sebbene esistano molti tipi di qubit, i ricercatori hanno scelto di utilizzare i centri colorati dei diamanti per i loro vantaggi in termini di scalabilità. In precedenza avevano utilizzato tali qubit per produrre chip quantistici integrati con circuiti fotonici.

I qubit costituiti da centri di colore del diamante sono "atomi artificiali" che trasportano informazioni quantistiche. Poiché i centri di colore dei diamanti sono sistemi a stato solido, la produzione di qubit è compatibile con i moderni processi di fabbricazione dei semiconduttori. Sono inoltre compatti e hanno tempi di coerenza relativamente lunghi, che si riferiscono alla quantità di tempo in cui lo stato di un qubit rimane stabile, grazie all'ambiente pulito fornito dal materiale del diamante.

Inoltre, i centri di colore del diamante hanno interfacce fotoniche che consentono loro di essere entangled, o collegati, in remoto con altri qubit che non sono adiacenti a loro.

"L'ipotesi convenzionale nel campo è che la disomogeneità del centro di colore del diamante sia uno svantaggio rispetto alla memoria quantistica identica come gli ioni e gli atomi neutri. Tuttavia, trasformiamo questa sfida in un vantaggio abbracciando la diversità degli atomi artificiali:ogni atomo ha una propria frequenza spettrale che ci permette di comunicare con i singoli atomi sintonizzandoli in risonanza con un laser, proprio come sintonizzare il quadrante di una piccola radio," dice Englund.

Ciò è particolarmente difficile perché i ricercatori devono raggiungere questo obiettivo su larga scala per compensare la disomogeneità dei qubit in un sistema di grandi dimensioni.

Per comunicare attraverso i qubit, è necessario che più di queste “radio quantistiche” siano collegate allo stesso canale. Il raggiungimento di questa condizione diventa quasi certo quando si scala fino a migliaia di qubit.

A tal fine, i ricercatori hanno superato la sfida integrando un’ampia gamma di qubit centrali del colore del diamante su un chip CMOS che fornisce i quadranti di controllo. Il chip può essere incorporato con logica digitale integrata che riconfigura rapidamente e automaticamente le tensioni, consentendo ai qubit di raggiungere la piena connettività.

"Ciò compensa la natura non omogenea del sistema. Con la piattaforma CMOS possiamo sintonizzare in modo rapido e dinamico tutte le frequenze dei qubit", spiega Li.

Fabbricazione con blocco e rilascio

Per costruire questo QSoC, i ricercatori hanno sviluppato un processo di fabbricazione per trasferire i "microchiplet" del centro del colore del diamante su un backplane CMOS su larga scala.

Hanno iniziato fabbricando una serie di microchiplet centrali color diamante da un solido blocco di diamante. Hanno inoltre progettato e fabbricato antenne ottiche su scala nanometrica che consentono una raccolta più efficiente dei fotoni emessi da questi qubit dei centri di colore nello spazio libero.

Quindi, hanno progettato e mappato il chip della fonderia di semiconduttori. Lavorando nella camera bianca del MIT.nano, hanno post-elaborato un chip CMOS per aggiungere socket su microscala che si abbinano all'array di microchiplet di diamante.

Hanno costruito una configurazione di trasferimento interna in laboratorio e hanno applicato un processo di blocco e rilascio per integrare i due strati bloccando i microchiplet di diamante negli zoccoli del chip CMOS. Poiché i microchiplet di diamante sono debolmente legati alla superficie del diamante, quando rilasciano la massa del diamante orizzontalmente, i microchiplet rimangono negli alveoli.

"Poiché possiamo controllare la fabbricazione sia del diamante che del chip CMOS, possiamo creare un modello complementare. In questo modo, possiamo trasferire migliaia di chiplet di diamante nei loro alloggiamenti corrispondenti allo stesso tempo," dice Li.

I ricercatori hanno dimostrato un trasferimento di area di 500 x 500 micron per un array con 1.024 nanoantenne di diamante, ma potrebbero utilizzare array di diamanti più grandi e un chip CMOS più grande per ampliare ulteriormente il sistema. Infatti, hanno scoperto che con più qubit, la sintonizzazione delle frequenze richiede in realtà meno tensione per questa architettura.

"In questo caso, se disponi di più qubit, la nostra architettura funzionerà ancora meglio", afferma Li.

Il team ha testato molte nanostrutture prima di determinare la matrice di microchiplet ideale per il processo di blocco e rilascio. Tuttavia, creare microchiplet quantistici non è un compito facile e il processo ha richiesto anni per essere perfezionato.

"Abbiamo ripetuto e sviluppato la ricetta per fabbricare queste nanostrutture di diamante nella camera bianca del MIT, ma si tratta di un processo molto complicato. Ci sono voluti 19 passaggi di nanofabbricazione per ottenere i microchiplet quantistici di diamante, e i passaggi non erano semplici", aggiunge.

Oltre al QSoC, i ricercatori hanno sviluppato un approccio per caratterizzare il sistema e misurarne le prestazioni su larga scala. Per fare ciò, hanno creato una configurazione metrologica crio-ottica personalizzata.

Usando questa tecnica, hanno dimostrato un intero chip con oltre 4.000 qubit che potevano essere sintonizzati sulla stessa frequenza mantenendo la loro rotazione e le proprietà ottiche. Hanno anche creato una simulazione del gemello digitale che collega l'esperimento con la modellazione digitalizzata, che li aiuta a comprendere le cause profonde del fenomeno osservato e a determinare come implementare in modo efficiente l'architettura.

In futuro, i ricercatori potrebbero migliorare le prestazioni del loro sistema perfezionando i materiali utilizzati per realizzare i qubit o sviluppando processi di controllo più precisi. Potrebbero anche applicare questa architettura ad altri sistemi quantistici a stato solido.