近日，美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）的研究人员，与计算机芯片制造商Diraq、威斯康星大学麦迪逊分校、芝加哥大学和曼彻斯特大学的科学家及工程师合作，提出开发一种由量子比特（称为硅自旋量子比特）构成的量子传感器，以探测超出标准模型的物理现象。Diraq是硅基量子计算技术的全球领导者，这对于Quandarum项目至关重要。
通过将多个自旋量子比特集成在芯片上形成传感器，研究人员希望使科学家能够探测到宇宙中最微弱的信号。这种传感器有可能用于探测轴子，一些科学家认为轴子是构成暗物质的假设粒子。
由费米实验室领导的Quandarum项目是美国能源部量子信息科学促进发现（QuantISED）计划资助的25个项目之一，总资助金额达7100万美元。QuantISED计划支持国家实验室和大学的创新研究，将量子技术应用于基础科学发现。
获得该奖项后，研究人员计划开发一种新型传感器，首次将两种专业技能相结合：硅中的自旋量子比特和用于暗物质探测器读出的低温“跳过”模数转换电路。
基于硅自旋的量子传感器可提供一个强大的平台来测试有关暗物质的理论，因为它能利用量子相互作用来提高灵敏度，并探索科学家对高能物理了解的极限。
这全都是关于自旋的
自旋量子比特将信息存储在电子自旋的方向上，这一特性是由量子力学所决定的。电子的自旋状态对其周围环境中的微弱电磁场极为敏感，这使得我们能够进行极为精确的测量。
“我们无法直接测量自旋的方向，但我们能够测量电荷的微小移动，因为移动的电荷会产生电场的变化，而这一变化是可以被测量的，”费米实验室工程师、项目负责人Adam Quinn表示。
然而，由于电子自旋非常微小、密集且对最轻微的干扰极为敏感，从自旋量子比特中提取信息相当困难。
“这种传感器的核心挑战在于读出，而成功的关键在于具备在最小噪声下读出信息的能力，”Quinn表示。
为了实现这一目标，Quinn和他的研究团队正在探索利用低温专用集成电路（ASICs）的高精度读出技术的新方法，这将与Diraq的量子比特传感器协同设计。ASICs的制造方式与如今为大多数电子设备提供动力的芯片相同。然而，它们将采用专门的设计和布局技术，以实现卓越性能，特别是在极端环境下，例如在低温腔体内。
费米实验室团队正在基于费米实验室此前在读出跳过电荷耦合器件（skipper CCDs）方面的工作进行研发。工程师们开发了跳过CCDs，通过克服噪声来提高读出精度。跳过器件利用一种称为“跳过”的动作，将电荷来回移动多次，从而在单个电子水平上实现更精确的测量。费米实验室团队计划将这一创新应用于量子比特的读出，通过几次迭代的芯片设计，使量子比特和读出电子设备更紧密地集成在一起。他们相信，这最终将导致一个低功耗、高灵敏度的探测器的诞生。
费米实验室多年来一直在为粒子物理实验开发新型读出芯片。如今，工程师和科学家们将运用一些相同的微电子电路类型，并将其应用于新型传感器的开发。
扩大规模
然而，生产所需的量子比特数量——可能达到数千个——将它们集成到硅芯片上，并使其正常工作并非易事。在制造过程中，每个量子比特必须几乎完全相同，并且性能要与其他量子比特相似。
Diraq公司是开发硅基自旋量子比特的全球领先者，它在大规模制造自旋量子比特方面具有优势。硅是首选材料，因为其生产工业基础设施已经非常成熟。
“除了量子计算，硅基自旋量子比特的固有特性和材料特性在大型量子感测阵列技术和粒子探测应用方面也具有重要意义，”Diraq公司的创始人兼首席执行官Andrew Dzurak表示。
“通过使用高精密制造工艺，我们希望实现质量可控的集成硅自旋量子比特的生产，达到经济高效且具有商业价值的规模。这项技术不仅有望成为大规模量子计算机的基础，还能成为大规模量子感测平台的基础，”他表示。
一步一个脚印
在接下来的五年里，目标是将自旋量子比特和跳过读出技术这两种技术结合到单个芯片上。然而，为了实现这一目标，他们将构建几个原型。
“我们首先将使用现有的芯片并将它们组合在一起，”奎因说。“我们预计这将是一个很好的概念验证，但性能不会很理想。然后，在接下来的几年里，我们将设计越来越好的专用集成电路（ASICs）来提高性能。
在Quandarum项目中，费米实验室和Diraq公司将与威斯康星大学麦迪逊分校、芝加哥大学和曼彻斯特大学的科学家携手合作，他们将负责开发算法并模拟物理现象的相互作用。所有参与机构都希望利用所开发的技术，实现Quandarum项目与他们正在进行的高能物理研究的互利共赢。
“该项目彰显了跨学科合作与创新的力量，有助于推动量子技术在基础科学领域的进步，”费米实验室微电子部门负责人Fahim说道。
“通过结合费米实验室在极端环境电子学和构建敏感大面积探测器方面的专业知识，以及Diraq公司在硅自旋量子比特方面的世界级能力，Quandarum项目将推动量子传感技术的发展，以应对我们宇宙中最深刻的奥秘之一，”Fahim表示。
Quandarum项目为期五年，获得全额资助。
