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新研究的超纯硅可制造强大的量子芯片，用于构建高性能量子比特设备

文章来源：贤集网更新时间：2024-05-13 15:39:27

“量子计算的未来正在崭露头角”——至少专家们是这么认为的。

量子计算机并非使用传统计算中的常规1和0，而是利用量子物理学那些神奇的特性，以指数级速度执行某些计算任务。然而，制造一台实用的大型量子计算机面临着巨大的挑战，量子比特（量子计算机的核心组件）极易受到环境微小变化的影响，例如温度波动。尽管目前的量子计算机在接近绝对零度的环境下运行，它们也只能在极短的时间内保持无差错的一致性。所以其最大的障碍之一便是寻找制作量子比特的理想材料。

现在，这一难题或许即将得到解决。

来自墨尔本大学和曼彻斯特大学的研究人员可能已经找到了关键的解决方案。他们最近在《通讯材料》（Communications Materials）杂志上发表的一篇论文中，介绍了一种新技术，该技术能够生产出含量极高的硅——这种特定同位素的硅被认为是量子计算的理想材料。他们的研究成果为使用这种超纯硅制造强大的量子芯片铺平了道路。

主要作者、墨尔本大学/曼彻斯特大学联合培养的博士生Ravi Acharya在曼彻斯特大学P-NAME聚焦离子束实验室准备硅芯片进行“富集”（enrichment）

这种超纯硅可用于构建高性能量子比特设备，也是为可扩展量子计算机铺平道路所需的基本组件。曼彻斯特大学先进电子材料教授理查德·库里表示：“这是一项有可能为人类带来变革技术的关键一步，它让人们有能力处理大规模数据，并能找到解决复杂问题的方法，例如应对气候变化和医疗保健等领域的挑战。”

硅是经典计算的基础材料，被认为是可扩展量子计算机的关键解决方案。在过去的60年里，科学家一直在学习如何设计硅以使其发挥出最佳性能。但在量子计算中，这一切都成了问题。

天然硅由3种不同质量的同位素组成——硅-28、硅-29和硅-30。其中硅-29约占硅的5%，会引起“核触发”效应，导致量子比特丢失信息。

在最新研究中，科学家提出一种新方法，能够去除硅中的硅-29和硅-30同位素。这种方法制成的硅将成为大规模制造量子计算机的完美材料，并且同时具有高精度。这是世界上最纯净的硅，为创建100万个量子比特提供了宝贵途径，这些量子比特甚至可制成针头大小。

共同作者（左）David Jamieson教授（墨尔本大学）和（右）Maddison Coke博士（曼彻斯特大学）在曼彻斯特大学检查用于硅富集项目的P-NAME聚焦离子束系统

为何这对量子计算至关重要？消除这些杂散的硅-29原子能显著提升硅量子比特的量子相干性（稳定性），将其从当前最先进设备的大约一毫秒延长到超过10秒！这一跳跃相当于从眨眼间的退相干延伸到维持量子奇异性稳定近半分钟。

聚焦离子束技术不仅能实现这种极端的硅-28富集，还避免引入可能干扰量子比特的其他杂质。此外，此技术可以在常规的大块硅芯片中创建富集区，无需特殊设备生长整个富集晶体。

在之前与澳大利亚研究理事会量子计算与通信技术卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）合作的研究中，墨尔本大学使用较低纯度的硅创造了单量子比特30秒相干性的世界纪录，并一直保持至今。这30秒的相干时间足以进行复杂的无错误量子计算。

Jamieson教授指出，虽然目前最大的量子计算机拥有超过1000个量子比特，但其相干性的快速丧失导致计算中会迅速出错。

“现在，我们能够生产出极度纯净的硅-28，下一步将验证我们是否能维持多个量子比特的量子相干性。即使是一个仅有30个量子比特的可靠量子计算机，在某些应用中也能超越当今的超级计算机。”他补充道。

这项新技术为可扩展量子设备的发展提供了清晰的路线图，并为构建可靠的量子计算机奠定了基础。其有望在人工智能、安全数据和通信、疫苗和药物设计以及能源、物流和制造等领域带来重大技术革新。

【总编辑圈点】

量子计算机与经典计算机完全不同，为其寻找合适的材料，也成为目前热门的研究方向。科研人员寻找了很多材料，比如石墨烯、金刚石、超导体、磁体……当然，构筑经典计算机的硅也是理想材料之一。不过从自然界中直接提取的硅有硅-28、硅-29、硅-30三种稳定的同位素，其中只有硅-28被认为是较为理想且纯净的量子计算材料。所以，要利用熟悉的硅，就需要提纯。科研团队在提纯之路上努力，让量子计算机离我们近一些，更近一些。

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