[论文解读] Scaling silicon-based quantum computing using CMOS technology: State-of-the-art, Challenges and Perspectives

M. Fernando González-Zalba, S. De Franceschi+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 136被引用 6

一句话总结

本文提出通过使用互补金属-氧化物-半导体（CMOS）技术集成所有系统层级——量子、接口和经典——来实现基于硅的量子计算的规模化。研究证明，利用标准半导体工艺可制造出具有长相干时间与高保真度控制的硅量子比特，从而实现紧凑、可扩展且成本低廉的容错量子处理器，并具备在单芯片上实现完整系统集成的潜力。

ABSTRACT

Complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology has radically reshaped the world by taking humanity to the digital age. Cramming more transistors into the same physical space has enabled an exponential increase in computational performance, a strategy that has been recently hampered by the increasing complexity and cost of miniaturization. To continue achieving significant gains in computing performance, new computing paradigms, such as quantum computing, must be developed. However, finding the optimal physical system to process quantum information, and scale it up to the large number of qubits necessary to build a general-purpose quantum computer, remains a significant challenge. Recent breakthroughs in nanodevice engineering have shown that qubits can now be manufactured in a similar fashion to silicon field-effect transistors, opening an opportunity to leverage the know-how of the CMOS industry to address the scaling challenge. In this article, we focus on the analysis of the scaling prospects of quantum computing systems based on CMOS technology.

研究动机与目标

• 通过使用CMOS技术集成所有层级，解决量子计算系统超越原型设备后的规模化关键挑战。
• 通过在单芯片上实现量子与经典电子的共集成，克服分布式量子-经典系统的局限性。
• 通过利用成熟的VLSI制造工艺和硅的长相干时间，实现大规模容错量子计算。
• 通过紧凑、可制造的CMOS基量子处理单元，促进多核NISQ处理器与混合量子-经典算法的发展。
• 通过多项目晶圆服务和设计规则的标准化，推动全球范围内对硅基量子器件的访问，加速研发进程。

提出的方法

• 将量子计算系统分解为三个层级：量子层（量子比特）、量子-经典接口（控制/读出）和经典层（数字/模拟处理）。
• 在量子点或基于施主的系统中使用基于硅的自旋量子比特，并通过同位素富集（28Si）实现长相干时间（T₂ > 20 ms）。
• 通过自旋-电荷转换实现初始化与读出，利用电子自旋共振实现单量子比特操作，实现高保真度控制。
• 在硅金属-氧化物-半导体或Si/SiGe异质结构中，通过门控势阱控制实现相干自旋转移，实现量子比特互连与基于交换的两量子比特门。
• 探索使用高阻抗谐振器实现腔体介导耦合，以实现长程量子比特相互作用，并具备高相干耦合速率。
• 提出从以研究为导向的制造向标准硅代工厂过渡，包括灵活的多项目晶圆服务，以加速原型开发与标准化。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够使用CMOS技术将量子计算系统的全部层级——量子、接口与经典——实现共集成？
• RQ2 在现有VLSI基础设施下，将硅基自旋量子比特规模化至容错水平的关键工程挑战是什么？
• RQ3 如何通过同位素富集与器件工程优化硅基量子比特的相干时间与门保真度？
• RQ4 CMOS兼容的自旋转移与腔体介导耦合在实现可扩展量子比特互连中发挥何种作用？
• RQ5 如何将工业级CMOS制造产线改造以支持大规模硅基量子处理器的开发？

主要发现

• 在同位素富集的28Si中，电子自旋相干时间（T₂）已超过20 ms，使硅成为最相干的固态系统之一。
• 在硅量子点中，已实现接近99.4%保真度的高保真度自旋-电荷转换与相干单量子比特操作。
• 在微米尺度距离内，相邻量子点之间的相干自旋转移已实现，平均保真度达99.4%。
• 在工业制造的双量子点中，观察到单个自旋与微波光子之间具有大相干耦合速率，为实现腔体介导的两量子比特门提供了可能。
• 理论与实验结果表明，CMOS兼容的制造工艺可支持表面代码容错所需数百万个物理量子比特的集成。
• 建立全球性的多项目晶圆服务并放宽设计规则，可显著加速硅基量子电路的开发与标准化。