近日，爱尔兰初创公司Equal1 推出全球首款硅基量子计算机——Bell-1，这是一台能在混合量子芯片上运行的量子计算机。
（来源：
Equal1）
这台量子计算机以爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）的名字命名，重量大约为 200 公斤，可以使用普通的电源插座。其所采用的机架式设备专为高性能计算数据中心设计，可以直接与标准服务器一同安装使用。
Equal1 的 CEO 杰森·林奇（Jason Lynch）告诉媒体，将量子技术与当今最先进的经典处理器相结合，为打造具有颠覆性计算潜力的量子计算机提供了最快路径。
其表示：“Equal1 正在利用成熟的半导体技术，以比竞争对手更快的速度扩大规模。这也是按照当前所需速度来扩展量子计算的最佳方式。”
（来源：
Equal1）
对于传统晶体管来说，它能被用于常规计算任务。对于量子晶体管，它能被用于量子比特。在研发本次量子计算机时，Equal1 将传统晶体管和量子晶体管集成在单个硅基芯片上。量子比特类似于常规电脑中的比特，是量子计算机中的基本信息单位。量子比特越多，机器运行速度就越快。
大多数量子计算技术都基于离子阱或超导量子比特。然而，Equal1 的设计采用了硅自旋量子比特。
Bell-1 要比市面上大多数量子计算机小得多。该公司将这归功于其所采用的闭式循环低温制冷机，该制冷机使机器能够在 0.3 开尔文（-272.85°C）下运行，从而无需大型的外部稀释制冷机。
据了解，大多数量子计算机需要保持超低温，因为热量会破坏量子比特的微妙量子态，从而会导致错误的产生。
（来源：
Equal1）
目前，Bell-1 仅限 6 个量子比特，这意味着它尚不能解决现实世界的问题。相比之下，谷歌最近推出的 Willow 芯片拥有 105 个量子比特。然而，谷歌的机器目前不对外销售，而 Bell-1 则已经对外销售。据介绍，Bell-1 将帮助客户开展量子相位估计和量子纠错等实验。
整体来看，量子计算机有望解决传统计算机无法解决的复杂问题，这可能会在药物发现、密码学、建模和人工智能等领域带来突破。
据介绍，Equal1 成立于 2018 年，是爱尔兰都柏林大学的衍生公司。这家初创公司目前拥有约 45 名员工，虽然总部设在爱尔兰首都，但正在荷兰等其他国家不断扩张。2024 年，Equal1 在荷兰代尔夫特理工大学附近开设了一家研究机构。最近，荷兰应用科学研究组织向 Equal1 提供了一笔未公开金额的投资。
通过利用标准半导体制造技术，Equal1 希望能以比竞争对手更快的速度，将量子计算推向实际应用。
（来源：
Equal1）
那么，Equal1 具体是如何将半导体制造技术用于量子计算的？以下为大家详细介绍。
将电子或空穴限制在“全耗尽型绝缘体上硅”CMOS 结构通道中形成的量子点中，是实现可扩展量子比特架构的一种有前途的方法。其中，“全耗尽型绝缘体上硅”（FDSOI，Fully Depleted Silicon-On-Insulator）是一种先进的半导体制造工艺，其核心特点是通过特殊结构实现晶体管沟道的全耗尽状态。
在此前一篇论文中，Equal1 展示了使用格芯 22FDXTM 工艺制造的商用纳米结构的测量结果。
Equal1 证明，利用施加背电压和栅电压的这一组合，可以在器件通道中形成量子点。
论文中，Equal1 展示了通过结合背栅电压来改变势垒栅极电压，从而针对量子点中的能级进行有效失谐的研究结果。
鉴于扩展量子比特规模的需求与重要性，Equal1 通过实验验证了在量子点阵列边缘，采用单电子箱传感器进行有效电荷探测的可行性。这种方案可以在不同的工作模式之下，精准地探测构成量子点阵列的单量子点与双量子点中的电荷跃迁。
在论文中，Equal1 表示静电约束量子点中的量子比特，已经成为可扩展量子计算的主流平台，其兼具优异的相干性、紧凑的物理尺寸以及兼容工业制造工艺等优势。
这些量子点可以利用多种自由度编码量子信息，包括单个载流子的电荷态与自旋态，以及作为量子比特的多粒子态和多量子点态，例如单重态/三重态、纯交换态、翻转态及混合态等。
静电量子点的典型结构和尺寸，与晶体管极为相似。它们都具有一个用于承载电荷载流子的未掺杂通道、一个用于电荷注入的掺杂源极，以及用于控制通道内电荷占位的纳米级栅极（通常尺寸为数十纳米）。
然而，与晶体管不同的是，量子比特阵列要求同一沟道内形成的量子点之间必须实现直接相互作用。
这就要求对量子点之间的隧道耦合进行精确控制，并建立一种机制来读取多点结构的电荷状态。
论文中，Equal1 采用基于格芯商用 22 纳米“全耗尽型绝缘体上硅”工艺制造的量子点阵列开展了实验。
“全耗尽型绝缘体上硅”工艺的好处在于，可以实现量子点、电荷传感器与控制电子元件的单片集成。
论文中，Equal1 还展示了在 22FDXTM 工艺的实施过程中，针对量子点的位置和耦合进行全面电控的能力。
通过根据工作区域改变背栅电压和势垒栅电压，其实现了一个有效的柱塞栅极。
具体来说，Equal1 通过输运测量验证了双量子点结构的形成，借此成功观测到载流子约束效应、电荷稳定性以及正反向偏压下的偏置三角形特征。
然后，Equal1 进一步证明通过分隔两个量子点的势垒栅极，能够精确地调控量子点间的耦合强度。
此外，根据Equal1 之前的工作，其证明可以将同一个量子点阵列，配置成具有一个或两个相邻量子点的单引线单电子箱，从而能够在单电子箱感测模式下测量一个或两个量子点的电荷稳定性。
如前所述，Equal1 所使用的器件，采用格芯的“全耗尽型绝缘体上硅”技术制造，该器件由一个凸起的源极和漏极以及五个静电门组成。
（来源：
https://arxiv.org/pdf/2412.08422）
不同于采用柱塞门控制量子点的其他量子点阵列，该器件能够针对多晶硅屏障门之间形成的量子点进行间接电控。同时，在制造这一器件的时候，无需针对标准光刻工艺进行任何修改。
在重掺杂源极和漏极与量子点之间，栅极QA0 和 QA1 可以充当间隔物。
图
| 该器件的控制终端电压与电势配置（来源：https://arxiv.org/pdf/2412.08422）
论文中的实验是在一个温度可控的稀释制冷机中进行的，温度范围为10 毫开尔文至 700 毫开尔文。所使用的芯片，通过倒装焊方式集成于低温兼容层压基板之中，然后后者再与印刷电路板实现互连。
直流电压由QDevil QDAC-II15 高精度低噪声数模转换器生成，并在基础温度之下进行滤波处理。
势垒栅极QT0、QT1 与 QT2，被连接至印刷电路板上的偏置三通器，以便实现快速的脉冲调控。
Equal1 将一个谐振器连接到该器件的源电极上，它与印刷电路板的寄生电容一起，能够在 75.5MHz 的谐振频率下进行射频反射测量检测。
需要说明的是，该谐振器由一个粘合在印刷电路板上、并通过引线键合连接的NbTiN（L = 1µH）超导曲折电感器组成。
用于量子态读取的射频信号，则通过衰减同轴电缆传输，并由OPX+ 设备生成。（注：在量子计算领域，OPX+ 是量子测控系统的核心设备之一。）
对于射频载波来说，它经过印刷电路板样板上的谐振电路反射，并会被4K 低温放大器加以放大，随后在室温之下会被再次放大。
这时，需要使用OPX+ 以 1GS/s 的采样率针对信号进行数字化。
图
| 研究中所采用的简化实验设置（来源：https://arxiv.org/pdf/2412.08422）
在下图中，Equal1 展示了在 700 mK 下针对量子点间隧道势垒的精确控制，由图可见在 QT0/QT1 和 QT1/QT2 这一对势垒门对之间形成了两个量子点。
（来源：
https://arxiv.org/pdf/2412.08422）
通过改变VQT1、即改变分隔两个量子点的门极电压，Equal1 证明其能控制这两个量子点之间的隧道势垒。
据介绍，这些测量是在传输模式之下进行的。其中，源漏电压的大小是0.5 mV，从而能在 QT0 和 QT2 的左右两侧分别形成电子库。
研究中，Equal1 展示了位于量子点阵列结构边缘的单电子箱的形成过程。与此同时，这一实验也展示了 Equal1 在检测耦合量子点电荷跃迁方面的应用。
实验中，Equal1 先后考虑了三种情况：首先，在 QT0 和 QT2 之间形成一个较大的单量子点敏感电子束缚态；随后，在 QT0 和 QT1 之间形成一个较小的单量子点敏感电子束缚态；最后，在 QT0 和 QT1 之间形成一个双量子点敏感电子束缚态。
下图中包含了所有情况的反射计相位和幅度结果。在偏置单电子箱时，会在QA1 下方以及 QT2 和 QA1 下方形成屏障，以便确保传输能够被阻断。
（来源：
https://arxiv.org/pdf/2412.08422）
当施加VQT2 电压时，电荷稳定性响应从双量子点特征，转变成为特殊的单量子点特征。
考虑到单电子箱感测的性质，无论在任何情况之下，电荷跃迁与VQT1 的变化都存在更为强烈的耦合。
这一现象在下述情况中尤为明显：即当调节VQT2 电压时，除了三重点附近区域之外几乎无响应；而 VQT1 电压的变化，则能在远离三重点的区域引发清晰的电荷跃迁线。至于在三相点处，则均可以看见明显的跳跃。
当通过扫描VQT2 将电子加载到量子点中时，由于单电子箱与量子点之间的静电相互作用，单电子箱的响应会发生偏移，从而会在三相点处显示出电荷稳定性转变的特征偏移。
总的来说，Equal1 展示了基于格芯“全耗尽型绝缘体上硅”工艺制造的量子点阵列的实验表征。
Equal1 还提出了一种双点特性表征方法，该方法能够精确地控制分隔两个点的势垒门，并能形成偏置三角形对。
此外，Equal1 还展示了量子点阵列可以在阵列边缘配置单电子箱传感器，并能用于测量同一量子点阵列中形成的量子点的电荷稳定性。Equal1 表示，这也是人们首次在商业量子领域实现这一成果。
需要说明的是，尽管Equal1 公司的所在国爱尔兰是一个小国，但是它非常重视量子产业。2024 年，爱尔兰推出该国第一个量子技术国家战略——“量子2030”。爱尔兰副总理兼外交部长西蒙·哈里斯（Simon Harris）在该战略颁布时表示：“我们相信，爱尔兰可以在信息和通信技术领域现有的成功基础上，成为支持量子革命的研究、开发和创新的全球领导者，并成为实现和利用量子技术新机遇的中心，特别是在量子计算和通信领域。”
参考资料：
https://arxiv.org/pdf/2412.08422
https://www.equal1.com/publications
https://zhuanlan.zhihu.com/p/693812296
排版：初嘉实
