重大突破！超纯硅芯片有望推动量子计算机高速发展

量子计算领域迎来了一项重大突破，墨尔本大学和曼彻斯特大学的研究人员合作开发了一种生产超纯硅的创新方法，这一技术有望推动量子计算机的可扩展性和准确性。

研究人员表示，这种新的超纯硅工程技术使其成为制造量子计算机的理想材料，能够大规模生产并具有高准确性。这项创新发表在《自然》杂志旗下的《Communication Materials》上，使用植入纯稳定硅晶体中的磷原子的量子比特，通过延长出了名脆弱的量子相干的持续时间，可能克服了量子计算的一个关键障碍。

量子相干的脆弱性意味着计算错误会迅速累积。墨尔本大学的David Jamieson教授表示，通过他们的新技术提供的强大的相干性，量子计算机可以在几个小时或几分钟内解决传统计算机——甚至是超级计算机——需要几个世纪才能解决的问题。

量子比特（qubits）是量子计算机的构建模块，它们对环境的微小变化非常敏感，包括温度波动。即使在接近绝对零度（零下273摄氏度）的宁静制冷环境中运行，当前的量子计算机也只能维持极短时间的无误相干。

曼彻斯特大学的Richard Curry教授说，超纯硅允许构建高性能的量子比特设备，这是实现可扩展量子计算机的必备关键组件。

这项研究的主要作者、联合曼彻斯特大学/墨尔本大学博士生Ravi Acharya表示，硅芯片量子计算的巨大优势在于它使用了与今天计算机中使用的芯片相同的基本技术。电子芯片目前包含数十亿个晶体管，这些晶体管也可以用来为基于硅的量子设备创建量子比特。迄今为止，高质量硅量子比特的创建能力在一定程度上受到所使用的硅起始材料纯度的限制。他们展示的突破性纯度解决了这个问题。

Jamieson教授表示，新的高纯度硅计算机芯片能够容纳和保护量子比特，使它们能够维持更长时间的量子相干，从而实现复杂计算，并大大减少了错误校正的需求。

他们的技术为可靠的量子计算机开辟了道路，这些计算机承诺将在社会各个领域带来变革，包括人工智能、安全数据和通信、疫苗和药物设计、能源使用、物流和制造。

硅是从海滩沙中提取的，是当今信息技术行业的关键在于它是一种丰富的半导体材料：它可以作为电流的导体或绝缘体，这取决于添加到其中的其他化学元素。

Jamieson教授说，尽管其他人正在尝试替代品，但他们相信硅是量子计算机芯片的领先候选材料，将能够实现可靠量子计算所需的持久相干。

研究人员使用纯硅-28的高速聚焦硅束照射硅芯片，使硅-28逐渐取代芯片中的硅-29原子，将硅-29从4.5%降低到百万分之二（0.0002%）。

Jamieson教授说，好消息是，要将硅纯化到这种水平，我们现在可以使用标准机器——离子注入器——这是任何半导体制造实验室都能找到的，只需调整到我们设计的特定配置即可。

在之前的研究中，墨尔本大学与量子计算和通信技术卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）合作，使用纯度较低的硅创下了单量子比特相干30秒的世界纪录，并且至今仍保持这一纪录。30秒的时间足以完成无误的复杂量子计算。

Jamieson教授表示，现有的最大量子计算机拥有超过1000个量子比特，但由于相干性丧失，错误在毫秒级内就会发生。

他说，现在我们能够生产极其纯净的硅-28，我们的下一步将是展示我们能够同时维持多个量子比特的量子相干。一台只有30个量子比特的可靠量子计算机将超过今天超级计算机在某些应用上的能力。

2020年，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的一份报告估计，到2040年，量子计算在澳大利亚有潜力创造1万个工作岗位和每年25亿美元的收入。

这项研究不仅展示了量子计算技术的潜力，而且强调了硅材料在实现可靠量子计算中的关键作用。那么，您如何看待超纯硅芯片在量子计算中的应用前景？您认为这项技术将如何影响未来的科技发展和社会进步？欢迎在评论区分享您的想法，与我们共同探讨量子计算的未来。

参考资料：DOI： 10.1038/s43246-024-00498-0