麻省理工学院揭秘：量子片上系统的未来

麻省理工学院揭秘：量子片上系统的未来

引用

mit.edu

等

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来源

1.

https://news.mit.edu/2024/modular-scalable-hardware-architecture-quantum-computer-0529

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https://chandrakasan.mit.edu/mit-engineers-design-a-system-for-iot-chips-to-do-quantum-computer-proof-encryption/

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https://news.mit.edu/2024/quantum-simulator-could-uncover-materials-high-performance-electronics-1030

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https://news.mit.edu/2019/quantum-sensing-chip-0925

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https://baijiahao.baidu.com/s?id=1725087030203757435

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http://old2022.bulletin.cas.cn/zgkxyyk/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2022Z105&flag=1

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https://news.mit.edu/2025/fast-control-methods-enable-record-setting-fidelity-superconducting-qubit-0114

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https://openlearning.mit.edu/news/year-quantum-preparing-quantum-revolution

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https://www.dlr.de/en/latest/news/2022/04/how_diamonds_become_qubits

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https://wulixb.iphy.ac.cn/en/article/doi/10.7498/aps.67.20180755?viewType=References

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https://www.technologyreview.com/2025/01/27/1110540/useful-quantum-computing-is-inevitable-and-increasingly-imminent/

麻省理工学院（MIT）的研究团队最近展示了一种新型“量子片上系统”（Quantum System on a Chip，简称QSoC），这一突破性成果发表在《自然》杂志上。这种模块化、可扩展的硬件平台，将数千个相互连接的量子比特集成到定制集成电路上，为大规模量子计算提供了新的可能性。

在量子计算领域，选择合适的物理系统来实现量子比特至关重要。MIT研究团队选择了金刚石中的氮空位（Nitrogen-Vacancy，简称NV）中心作为量子比特的载体。金刚石是一种由碳原子构成的晶体结构，而氮空位中心则是通过在金刚石晶格中引入氮原子并使其与相邻的空位结合来实现的。

这种量子比特具有独特的优势：

• 室温工作：与需要极低温环境的超导量子比特不同，NV中心可以在室温下稳定工作，大大降低了系统复杂性和成本。
• 长相干时间：NV中心具有超长的量子相干时间，这意味着它们能保持量子态的时间更长，有利于进行复杂的量子计算。
• 光电信号读出：通过激光照射，可以读出NV中心的量子态信息，实现量子信息的检测和处理。

研究团队开发了一种模块化的制造工艺，能够将二维阵列的原子级量子比特微芯片精确转移到精心准备的互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片上。这种转移过程可以在单个步骤中完成，大大提高了制造效率和可靠性。

QSoC架构的关键创新在于：

• 高密度集成：在单个芯片上集成了数千个相互连接的量子比特，实现了前所未有的高密度集成度。
• 多频率调谐：通过在11个频率通道上调整量子比特，实现了新型的“纠缠复用”协议，提高了量子计算的效率和灵活性。
• 精确控制：研究人员能够精确地调谐和控制密集的量子比特阵列，确保了量子计算的准确性和稳定性。

这一技术突破为量子计算的商业化应用带来了新的希望。通过使用光网络连接多个QSoC芯片，可以构建大规模的量子通信网络，实现更强大的量子计算能力。

然而，要实现实用的量子计算，仍面临一些挑战：

• 错误率控制：虽然QSoC架构提高了量子比特的控制精度，但错误率仍然是一个关键问题。需要进一步优化错误校正技术，以实现更可靠的计算结果。
• 系统稳定性：在室温环境下工作虽然降低了系统复杂性，但也带来了新的挑战。如何保持系统的长期稳定性和可靠性，是商业化应用前必须解决的问题。
• 规模化扩展：虽然目前的QSoC已经实现了数千个量子比特的集成，但要实现真正实用的量子计算，还需要进一步扩展到百万甚至更多量子比特的规模。

随着技术的不断进步，量子计算的商业化应用正在加速推进。PsiQuantum等公司计划在本十年内推出商业量子计算机，这些计算机的规模将是Google Willow设备的10,000倍，足以解决材料科学、药物研发等领域的重大问题。

量子算法的进步也在加速。例如，Boehringer Ingelheim与PsiQuantum的合作展示了药物和材料模拟算法超过200倍的性能提升。这些进展表明，实用量子计算的实现只是时间问题。

MIT的这一突破不仅展示了量子计算硬件的创新，更为整个行业注入了新的信心。随着技术的不断发展和完善，量子计算有望在不久的将来为科学研究和工业应用带来革命性的突破。