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新研究的超純硅可制造強大的量子芯片，用于構建高性能量子比特設備

文章來源：賢集網更新時間：2024-05-13 15:39:27

“量子計算的未來正在嶄露頭角”——至少專家們是這么認為的。

量子計算機并非使用傳統計算中的常規1和0，而是利用量子物理學那些神奇的特性，以指數級速度執行某些計算任務。然而，制造一臺實用的大型量子計算機面臨著巨大的挑戰，量子比特（量子計算機的核心組件）極易受到環境微小變化的影響，例如溫度波動。盡管目前的量子計算機在接近絕對零度的環境下運行，它們也只能在極短的時間內保持無差錯的一致性。所以其最大的障礙之一便是尋找制作量子比特的理想材料。

現在，這一難題或許即將得到解決。

來自墨爾本大學和曼徹斯特大學的研究人員可能已經找到了關鍵的解決方案。他們最近在《通訊材料》（Communications Materials）雜志上發表的一篇論文中，介紹了一種新技術，該技術能夠生產出含量極高的硅——這種特定同位素的硅被認為是量子計算的理想材料。他們的研究成果為使用這種超純硅制造強大的量子芯片鋪平了道路。

主要作者、墨爾本大學/曼徹斯特大學聯合培養的博士生Ravi Acharya在曼徹斯特大學P-NAME聚焦離子束實驗室準備硅芯片進行“富集”（enrichment）

這種超純硅可用于構建高性能量子比特設備，也是為可擴展量子計算機鋪平道路所需的基本組件。曼徹斯特大學先進電子材料教授理查德·庫里表示：“這是一項有可能為人類帶來變革技術的關鍵一步，它讓人們有能力處理大規模數據，并能找到解決復雜問題的方法，例如應對氣候變化和醫療保健等領域的挑戰。”

硅是經典計算的基礎材料，被認為是可擴展量子計算機的關鍵解決方案。在過去的60年里，科學家一直在學習如何設計硅以使其發揮出最佳性能。但在量子計算中，這一切都成了問題。

天然硅由3種不同質量的同位素組成——硅-28、硅-29和硅-30。其中硅-29約占硅的5%，會引起“核觸發”效應，導致量子比特丟失信息。

在最新研究中，科學家提出一種新方法，能夠去除硅中的硅-29和硅-30同位素。這種方法制成的硅將成為大規模制造量子計算機的完美材料，并且同時具有高精度。這是世界上最純凈的硅，為創建100萬個量子比特提供了寶貴途徑，這些量子比特甚至可制成針頭大小。

共同作者（左）David Jamieson教授（墨爾本大學）和（右）Maddison Coke博士（曼徹斯特大學）在曼徹斯特大學檢查用于硅富集項目的P-NAME聚焦離子束系統

為何這對量子計算至關重要？消除這些雜散的硅-29原子能顯著提升硅量子比特的量子相干性（穩定性），將其從當前最先進設備的大約一毫秒延長到超過10秒！這一跳躍相當于從眨眼間的退相干延伸到維持量子奇異性穩定近半分鐘。

聚焦離子束技術不僅能實現這種極端的硅-28富集，還避免引入可能干擾量子比特的其他雜質。此外，此技術可以在常規的大塊硅芯片中創建富集區，無需特殊設備生長整個富集晶體。

在之前與澳大利亞研究理事會量子計算與通信技術卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）合作的研究中，墨爾本大學使用較低純度的硅創造了單量子比特30秒相干性的世界紀錄，并一直保持至今。這30秒的相干時間足以進行復雜的無錯誤量子計算。

Jamieson教授指出，雖然目前最大的量子計算機擁有超過1000個量子比特，但其相干性的快速喪失導致計算中會迅速出錯。

“現在，我們能夠生產出極度純凈的硅-28，下一步將驗證我們是否能維持多個量子比特的量子相干性。即使是一個僅有30個量子比特的可靠量子計算機，在某些應用中也能超越當今的超級計算機。”他補充道。

這項新技術為可擴展量子設備的發展提供了清晰的路線圖，并為構建可靠的量子計算機奠定了基礎。其有望在人工智能、安全數據和通信、疫苗和藥物設計以及能源、物流和制造等領域帶來重大技術革新。

【總編輯圈點】

量子計算機與經典計算機完全不同，為其尋找合適的材料，也成為目前熱門的研究方向。科研人員尋找了很多材料，比如石墨烯、金剛石、超導體、磁體……當然，構筑經典計算機的硅也是理想材料之一。不過從自然界中直接提取的硅有硅-28、硅-29、硅-30三種穩定的同位素，其中只有硅-28被認為是較為理想且純凈的量子計算材料。所以，要利用熟悉的硅，就需要提純。科研團隊在提純之路上努力，讓量子計算機離我們近一些，更近一些。

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來源：賢集網
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