量子计算机可以解决世界上一些最具挑战性的问题，但前提是我们能把它们做得足够大。量子芯片的新型模块化设计可以使建造大规模量子计算机变得更加可行。
尽管在构建更大的量子处理器方面已经取得了重大进展，但该技术距离传统计算机芯片的规模仍有很长的路要走。
大多数量子比特技术本身就很脆弱，再加上操纵它们所需的复杂控制系统，这意味着基于超导量子比特的领先量子计算机才刚刚突破 1,000 量子比特的大关。
不过，麻省理工学院和 MITRE 公司工程师设计的新平台可能会提供更具可扩展性的解决方案。在《自然》杂志最近的一篇论文中，他们将 4,000 多个由钻石微小缺陷制成的量子比特整合到用于控制它们的集成电路中。研究人员表示，未来，这些所谓的“量子片上系统”中的几个可以通过光网络连接起来，从而创建大规模量子计算机。
“我们需要大量的量子比特，以及对它们的强大控制，才能真正发挥量子系统的力量并使其发挥作用，”麻省理工学院的首席作者林森·李 (Linsen Li) 在一份新闻稿中表示。“我们提出了一种全新的架构和制造技术，可以支持量子计算机硬件系统的可扩展性要求。”
钻石中的缺陷被称为色心，是有望成为量子比特的候选材料，因为它们保持量子态的时间比竞争技术长得多，而且可以利用光信号与远距离量子比特纠缠。更重要的是，它们是与传统电子制造兼容的固态系统。
其中一个主要缺点是钻石的色心并不均匀。信息存储在一种称为“自旋”的量子特性中，但科学家使用光信号来操纵或读取量子比特。每个色心使用的光频率可能有很大差异。从某种意义上说，这是有益的，因为它们可以单独寻址，但这也使得控制大量色心变得具有挑战性。
研究人员通过将量子比特集成到可以对其施加电压的芯片上来解决这个问题。然后他们可以使用这些电压来调整量子比特的频率。这使得可以将所有 4,000 个量子比特调整到相同的频率，并允许每个量子比特彼此连接。
麻省理工学院的 Dirk Englund 在新闻稿中表示：“该领域的传统假设是，钻石色心的不均匀性是一个缺点。然而，我们通过利用人造Atom的多样性将这一挑战转化为优势：每个Atom都有自己的光谱频率。这使我们能够通过电压调节使Atom与激光产生共振来与单个Atom进行通信，就像调节微型收音机上的刻度盘一样。”
他们取得突破的关键是一种新颖的制造方法，该技术使团队能够创建 64 个“量子微芯片” – 具有多个色心的钻石小薄片 – 然后将其插入集成电路上的插槽中。
他们表示，该方法可应用于其他固态量子技术，并预测最终将实现与传统电子器件中的晶体管密度相当的量子比特密度。
然而，该团队尚未实际使用该设备进行任何计算。他们展示了他们可以高效地准备和测量自旋状态，但要在该设备上运行量子算法还有一段路要走。
他们并不是唯一一个组装大量量子比特但目前还不能完成很多任务的人。今年早些时候，加州理工学院的研究人员报告称，他们已经制造出了一个由 6,100 个“中性Atom”量子比特组成的阵列。
尽管如此，这种高度可扩展的模块化架构对于让我们更接近实现该技术真正前景所需的数百万量子比特具有相当大的希望。
图片来源：Sampson Wilcox 和 Linsen Li, RLE
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