采用新设计，法国预计到2024年实现100万量子比特
光子盒研究院出品
法国原子能和替代能源委员会(CEA)和法国量子计算初创公司C12 Quantum Electronics宣布了一种新的量子计算机设计。采用CMOS制造技术，并在CEA每年50亿美元的资金支持下，大规模制造基于碳纳米管的量子比特——一次制造200毫米(7.9英寸)的晶圆。
还有一些其他量子计算设计，旨在以某种方式接近晶体管制造。这个想法是，量子比特制造与现有的以硅为目标的工艺(如台积电的4纳米或英特尔的7纳米工艺)越兼容，它们的制造效率和规模就越大。
但是所展示的设计没有一个是针对整个200毫米晶圆规模的。很能说明问题的是，在价值5999亿美元的半导体市场中，只有Cerebras能够制造出晶圆级芯片。
这种设计的困难是巨大的，但C12预计到2024年将有一个可工作的最终晶圆级原型。
“量子技术为下一代计算提供了巨大前景，但在制造量子比特芯片方面仍面临重大的发展挑战。将成熟的CMOS技术与C12最初使用碳纳米管的方法相结合，可以加速量子计算商业化和大规模制造这些芯片的进程，”CEA-Leti实验室的首席执行官Sébastien Dauvé表示。
C12纳米制造工程师Gulibusitan Abulizi和Jeanne Becdelievre与CEA生产的首款多量子比特芯片。
C12充满信心：它的技术使制造变得更容易(相对于更奇特的量子计算方法)，接近半导体器件，并将允许“可扩展和超相干的量子计算平台”。C12首席执行官兼联合创始人Pierre Desjardins表示，最终目标是“将学术级制造工艺转变为工业级的半导体制造工艺。”
该公司表示，他们每小时可以制造数千个量子比特，最终每个晶圆大小的量子计算芯片可以达到“数十万”个量子比特的密度。该公司最初的设计目标是专注于交付一百万量子比特的量子计算机。也许它最终不需要在单个晶圆内实现。
C12的量子比特设计从超纯碳纳米管的生长开始，在其设施内进行这项工作，以保证它的纯度水平。然后，通过化学气相沉积，碳的C12同位素被仔细地一个原子一个原子地放置，形成纳米管结构。
碳纳米管的生长
超纯碳纳米管的生长是不可避免的，因为纳米管中任何其他同位素(或原子粒子)的存在都会导致它们相互作用。这反过来会增加令人恐惧的“自旋噪音”——量子机器内的主要干扰源之一，可能导致量子比特完全崩溃，导致计算错误或中断工作负载。所以在他们使用纳米管之前，他们对其进行了非侵入性的杂质筛选。
只有纯度达到99%的(意味着它们含有99%的C12碳同位素)才能进入下一步。
然后，碳纳米管被放置在半导体制造业已经大规模生产的集成电路芯片上。碳纳米管层悬浮在栅电极阵列上方，确保优化环境隔离，“大幅减少电荷和机械噪声引起的退相干”。
一种新的基于微波的调节器，允许系统的量子比特之间随意耦合。同时它提高了性能，并减少了环境对量子比特状态变化的干扰。
将超纯碳纳米管集成到硅芯片上，形成量子电路
C12的混合量子架构结合了确保长相干时间的自旋和实现快速操作的高频微波组件。栅电极允许在单个碳纳米管中的双量子点中捕获单个电子。
第一步，栅电极用于在碳纳米管内形成双量子点，单个电子被捕获在其中。这是其量子比特的基础。
第二步，使用磁栅电极，在双量子点中添加一种磁织构，使电子自旋与电荷偶极子纠缠。这就产生了自旋量子比特。
最后一步，使用微波脉冲通过谐振器对自旋量子比特进行寻址。也可以使用控制电极来实现门。
通过与谐振器的虚拟光子交换以及两个量子比特之间的自旋耦合来实现双量子比特门。
量子比特操作
考虑到半导体行业已经有了大量的灵感，两个晶圆级计算芯片可以通过网络解决方案(也许是基于光子的)进行扩展，这听起来像是阻力最小的后续路径。
IBM此前曾表示，到2030年，芯片将达到百万量子比特的密度。随着CEA和C12的百万量子比特原型预计在2024年推出，有望成为量子计算主导地位的争夺者。但是量子计算机系统的性能取决于许多指标，其他公司(如无比富有的微软)肯定也在竞争中。
量子芯片嵌入左边的低温恒温器中
参考链接：
[1]https://www.tomshardware.com/news/wafer-scale-quantum-chip-prototype-delivers-1m-qubits-by-2024
[2]https://www.c12qe.com/how-it-works