基于自旋的硅量子電子電路為量子計算提供了一個可擴展的平臺。它們將半導體器件的可制造性與硅材料中自旋提供的長相干時間相結(jié)合。根據(jù)容錯操作的需要，從當前的幾個量子位設備發(fā)展到具有超過一百萬個量子位的硅量子處理器，提出了幾個獨特的挑戰(zhàn)。最苛刻的要求之一是能夠為大規(guī)模量子位控制提供微波信號。

新南威爾士大學電氣工程與電信學院的教員 Jarryd Pla 博士說：  “到目前為止，控制電子自旋量子位依賴于我們通過將電流通過量子位旁邊的電線來傳遞微波磁場。”

“如果我們想要擴展到量子計算機解決全球重大問題（例如新疫苗的設計）所需的數(shù)百萬個量子位，這將帶來一些真正的挑戰(zhàn)。”

“首先，磁場會隨著距離的增加而迅速衰減，所以我們只能控制那些離導線最近的量子位。這意味著隨著我們引入越來越多的量子比特，我們需要添加越來越多的電線，這將占用芯片上的大量空間。”

“而且由于芯片必須在低于 -270°C 的低溫下運行，因此引入更多的導線會在芯片中產(chǎn)生過多的熱量，從而干擾量子位的可靠性。所以我們回到只能用這種布線技術控制幾個量子位。”

完全重新構(gòu)想硅芯片結(jié)構(gòu)是解決問題的方法。科學家們首先移除了量子位旁邊的電線。然后，他們應用了一種新穎的方法在整個系統(tǒng)中傳遞微波頻率磁控制場。這種方法可以提供多達 400 萬個量子位的控制場。

科學家們添加了他們新開發(fā)的組件，稱為晶體棱鏡，稱為介電諧振器。當微波進入諧振器時，它會將微波的波長聚焦到更小的尺寸。

Pla 博士說：  “介電諧振器將波長縮小到一毫米以下，因此我們現(xiàn)在可以非常有效地將微波功率轉(zhuǎn)換為控制所有量子位自旋的磁場。”

“這里有兩個關鍵創(chuàng)新。首先，我們不必投入大量能量來為量子位提供強大的驅(qū)動場，這意味著我們不會產(chǎn)生太多熱量。第二個是整個芯片的場非常均勻，因此數(shù)百萬個量子位都經(jīng)歷了相同的控制水平。”

新南威爾士大學 Scientia 教授 Andrew Dzurak說：“當實驗證明成功時， 我們欣喜若狂。如何控制數(shù)百萬個量子比特的問題一直困擾著我很長時間，因為它是構(gòu)建全尺寸量子計算機的主要障礙。”

科學家們正計劃使用這項技術來簡化以硅材料為基礎的量子處理器的設計。