卢森堡科学技术研究所布局：碳化硅量子科技产业

近年来，量子科技正以颠覆性创新重构全球产业发展格局。从超导量子计算原型机的迭代突破到星地量子通信的万公里级跨越，人类已迈入主动调控量子态的新纪元。

近日，卢森堡科学技术研究所（LIST）发布，将开发量子芯片，这可能会彻底改变量子互联网和量子计算机。

卢森堡量子材料研究小组负责人Florian Kaiser，研究了一项基于标准半导体技术的可扩展量子芯片的研究策略。这项项目旨在开发一种“量子片上系统”，在提升性能的同时，为半导体代工厂提供经济高效的生产可能性。

量子技术：重构全球产业发展格局

量子材料团队负责人 Florian Kaiser 博士表示：“通过利用和控制量子力学的复杂特性，我们有可能释放出远远超出当今标准的新型数字技术。”

量子计算机可以解决传统机器无法解决的复杂数学问题。量子模拟器可以发现新的智能高效材料，从而实现可持续发展的社会。另外量子传感器可以实现无与伦比的灵敏度，用于从最小尺度（纳米核磁共振成像）到最大尺度（引力波探测）的研究。量子通信可以实现绝对安全的互联网，包括量子云服务。

量子技术挑战

从根本上看，所有这些量子技术支柱都已展现出其潜力和能力。学术界和初创企业层面每天都有新的突破。

量子技术走向市场面临的两个最大障碍是：

（1）扩大量子比特的数量，特别是将量子处理任务中表现优异的量子比特与优秀的量子存储器相结合。

（2）通过使用非奇异材料并受益于现有的经典生产线来降低量子系统的成本。

推动量子技术超越现状的蓝图

当前量子技术存在的问题可能听起来很熟悉。

20世纪30年代末的第一代经典计算机基于数百到数千个真空管，可靠性不高，需要持续维护，并且耗电量高达数百千瓦。消费市场潜力显然非常渺茫。

20世纪60年代末，这种情况发生了彻底的改变：随着集成半导体微芯片的兴起，成本效益、处理器内晶体管数量、能耗和可靠性都树立了新的标准，从而为近几十年的数字技术铺平了道路。所有主要制造商（AMD、苹果、英特尔、高通、三星）的最新趋势是将处理器和内存模块集成在同一单片系统级芯片上，以最大限度地减少噪声和信号损失的影响。

量子技术的未来愿景

卢森堡科学技术研究所 (LIST) 量子材料团队负责人 Florian Kaiser 博士表示，量子技术的最新进展证明，现在可以开发基于单片量子片上系统的可扩展平台。

这项技术的核心是基于半导体晶体中光学活性自旋的量子比特——即所谓的“色心”。色心基于其原本完美的主晶体中原子级微小的缺陷或杂质，从而形成具有类似单原子量子特性的系统。色心发射的光子可以作为光子通信总线，例如在多个色心之间传输量子信息，或在量子互联网内路由信息。色心的电子自旋可以作为量子处理和存储的卓越总线：通过精确控制电子自旋，可以操纵色心附近数十个高度相干的核自旋量子比特，这些核自旋属于当今最优秀的量子处理和存储系统。

在过去的二十年里，人们利用钻石中的色心进行了一系列令人瞩目的实验，然而，由于钻石供应有限，以及缺乏大规模钻石制造设施，实验的可扩展性受到了挑战。因此，最近的研究重点是寻找更符合工业要求的材料来替代钻石。

碳化硅：量子技术有前途的半导体平台

大约十年前，该团队研究人员开始研究碳化硅的色心，碳化硅是业界领先的高功率半导体。多项研究表明，基于碳化硅色心的小规模量子处理器和量子存储器可以直接与金刚石竞争。此外，首次尝试将其微集成到光子量子芯片中，前景光明。未来几年，将最大限度地提高高性能量子色心和集成光子量子芯片设计的可重复性。

“为了提高色心的可重复性，我们必须优化生产线上的每一个步骤，”Kaiser 博士说道。“简而言之，这要求我们在材料中创建色心时，或在洁净室中蚀刻所需的光子纳米结构时，尽量减少不必要的晶体损伤。”

为了加速这项研究，该团队最近建立了一个高通量量子色心表征平台，最大限度地扩大了他们可以在合理的时间范围内研究的参数空间。

然而，要实现高度可重复的光子量子芯片，应该利用现有半导体代工厂的专业纳米制造技术，这将需要学术界和工业界合作伙伴之间更紧密的互动，并可能通过实时操作系统（RTO）进行调解。

目前主要存在3点挑战：

高通量量子表征平台的开发
量子光电器件的发展
基于光谱和时间复用的量子芯片性能提升

Kaiser 博士的团队将努力应对这些挑战，其中包括来自卢森堡政府（估计 450 万欧元）和欧洲研究委员会（估计 300 万欧元）的几个重要项目资金的支持。

Kaiser博士补充道：“碳化硅与其他前景广阔的量子技术平台相比，其独特之处在于它是一种成熟的工业半导体。这使得我们能够使用标准电子设备来抑制色心周围的电荷噪声，而这已被证明是最大化相干时间的关键。此外，目前已有许多碳化硅代工厂，这意味着一旦达到临界点，就可以实现大规模、经济高效的量子芯片制造。”

接下来，该量子材料小组将专注于开发用于量子技术的半导体量子硬件。重点研究对象是半导体碳化硅 (SiC)，其与高功率电子行业的协同效应为工业规模的量子芯片制造铺平了道路。另外该团队的研究将现有的制造方法扩展到高效量子色心的生成、光子集成电路 (PIC) 的纳米制造、用于改善稳定性和光谱特性的后处理，以及与应用相关的量子基准测试。

未来几年的实际应用

碳化硅色心相关的卓越量子存储器可用于建立量子中继节点，这是目前唯一已知的实现长距离完全安全量子通信网络的方法。接下来，该团队将碳化硅量子芯片用于下一代应用，包括量子通信、量子计算和量子传感。该团队致力于推进三项研究方向：

可扩展半导体量子硬件平台的开发：

绝缘体上碳化硅键合
光子量子芯片的大规模制造
高效创建量子色心
基于自旋的量子处理器和存储器的高保真控制

量子硬件的后期制造改进：

表面电荷钝化方法
光子纳米结构中的费米能级控制
实现最大光子效率的光学传感器

量子技术应用：

用于量子通信的自旋光子接口
分布式量子计算
量子传感

总的来说，量子芯片风口，未来已来！量子芯片的竞赛，不仅是科技的博弈，更是国家战略的角力。或许，我们这一代人将见证：科幻电影中的“瞬间计算”与“绝对安全”成为日常。未来已来，你准备好了吗？