世界首个量子微电子园落户芝加哥

2024-08-30

伊利诺伊大学和州政府共同揭幕了全球首个量子与微电子园区。该园区位于芝加哥南部，正吸引包括PsiQuantum在内的初创公司加入，这是由美国国防部高级研究计划局（DARPA）主导的一个项目，旨在将量子计算商业化并构建美国的国家安全优势，项目负责人向《电子工程时报》透露。

DARPA将在园区内创建一个试验场，旨在聚集企业，在大约六年内开发出首批实用的量子计算机，DARPA首任项目主任哈雷·约翰逊向《电子工程时报》表示。

“DARPA设想了一个为期五到六年的相对短期计划，在此期间，他们希望证明一种能够展示实用规模的量子计算机原型，”约翰逊说。

量子实用性被定义为量子计算机执行超越经典计算方法的可靠计算的能力。量子计算机有望解决新问题，帮助发现创新药物和材料，同时还有可能进行模拟以开发新武器和破解高灵敏度密码。

DARPA是美国国防部的研发部门，在开发具有巨大商业影响的军用技术方面发挥了重要作用。互联网就是一个例子。

伊利诺伊州政府已为该园区投入5亿美元资金，并支持联邦和行业投资，具体金额未透露。据园区创始人称，量子园区将在未来十年内推动价值2万亿美元的市场发展。

PsiQuantum是园区的主要租户，该公司总部位于加利福尼亚州帕洛阿尔托，旨在建造全球首台实用的量子计算机。

“PsiQuantum很快将在伊利诺伊州建造中等规模的系统，”PsiQuantum首席科学官皮特·沙德博尔特向《电子工程时报》表示。“我们希望明年开始在伊利诺伊州建造。那些还不是量子计算机，而是包括光子芯片在内的机械设备。”

量子科学与技术国防副部长办公室首席主管约翰·伯克（身穿蓝色衬衫）与IQUIST主任布莱恩·德马尔科（右）和工程学院研究副院长哈雷·约翰逊（左）合影留念。伯克、德马尔科和约翰逊的照片拍摄于格林街工程学院大厅入口附近。

该公司将利用在伊利诺伊州的工作来评估通往更大规模量子计算系统的路径，沙德博尔特预计首个系统将在PsiQuantum位于澳大利亚布里斯班的基地建造。

PsiQuantum与美国和澳大利亚政府以及包括贝莱德、贝利吉福德和淡马锡在内的国际投资者建立了合作伙伴关系。

“在澳大利亚方面，我们有10亿澳元（约合6.74亿美元）的资金，”他说。“在伊利诺伊州，整个园区都获得了5亿美元的资金支持。PsiQuantum是主要租户。我们预计该园区还将有其他租户和组织入驻。”

无论量子计算是使用超导量子比特还是少数几种竞争技术，它们都仍然依赖于低温技术。这是芝加哥园区基础设施的一部分。

“我认为这是世界上第一次将粒子加速器中使用的大规模低温技术与量子计算相结合，”约翰逊说。“这是一个真正的机会，可以扩大规模。这也是DARPA项目的真正目的：尽可能快地推进工程路径的验证，实现具有市场影响力的实用规模量子计算。”

芝加哥拥有包括费米和阿尔贡国家实验室在内的成熟量子生态系统，沙德博特补充道。

“这些是美国先进技术和大规模工程的重要历史标志，”他说。“就像我们在澳大利亚建立我们的第一个系统时一样，我们在伊利诺伊州也找到了一个极其鼓舞人心的环境。”

PsiQuantum通过与位于纽约马尔他的GlobalFoundries合作，制造了关键的光子芯片。

“我们非常喜欢光子学带来的扩展优势，”沙德博特说。“我们可以在商业半导体工厂中制造数百万个设备。我们的方法尽可能适应半导体行业现有的约束条件。这就是我们在GlobalFoundries所做的。这主要标准是45纳米氮化硅光子学工艺。”

PsiQuantum在马尔他的工厂开发了工艺技术。

“我们已经将超导材料引入GlobalFoundries，以构建我们的单光子探测器，”沙德博特说。“我们大约五年前就这么做了，并且我们制造了数千片集成了超导探测器的集成光子学晶圆，实现了单片集成。我们已经制造了数百万个探测器。”

PsiQuantum已经在GlobalFoundries的生产线上安装了新工具。

“我们在那里的洁净室里有员工，我们之间的关系非常紧密，”沙德博特说。“我认为我们正在努力推动光子学在性能和集成方面的边界。”

虽然PsiQuantum在光子学方面占据了一席之地，但其他公司如谷歌和IBM则更喜欢超导量子比特，而英特尔则支持量子点。

“我们喜欢光子，”沙德博特说。“如果你看看实验量子物理学和量子信息的历史，很多像量子比特、叠加和纠缠这样的早期演示都是用光子做的。”

伊利诺伊量子信息科学与技术中心主任布莱恩·德马尔科表示，在量子计算方面，硬件平台仍然不确定。

“它可能需要多个平台，”德马尔科说。“我们现在正处于计算的早期阶段，就像计算机发展的初期一样，那时有不同类型的技术在发挥作用，而我们不知道哪一种会发展成为有用的设备。”

他补充说，通往实用规模的一部分工作将在DARPA项目的园区内进行。

“这就是我们称之为试验场的原因，即用一个可以提供所有所需功能的小型原型来证明一种方法，然后投入资金进行工程开发，使其变得真正庞大，”德马尔科说。

美国旨在在量子计算方面取得领导地位，以获得商业和军事优势。在这个新兴领域，美国的主要竞争对手之一是中国。关键的量子技术包括计算、网络和传感，德马尔科说。

量子网络以量子比特的形式在物理上分离的量子处理器之间传输信息。量子传感利用纠缠和单光子进行极其精确的测量。

在量子计算方面，美国在研究型大学和私营部门都“远远领先于”世界其他国家，德马尔科补充说。

“我认为我们在量子传感方面有点落后，”他说。“我认为我们需要在那里进行更多的投资。那实际上是一项现在就有用的技术。”

他补充说，中国已经在量子网络上进行了巨大的投资。

“你可以看到他们的量子网络地图，覆盖了该国的大部分地区，”他说。“我们在量子网络方面也在取得良好的进展，但我认为还需要在那里进行更多的投资和关注。”