突破性方法生产的超纯硅有望引发量子计算革命

墨尔本大学和曼彻斯特大学合作开发了一种生产超纯硅的突破性方法，提高了可扩展和精确量子计算机的潜力。这项技术扩展了量子相干性，大大减少了计算误差，使复杂计算的速度超过了传统计算机。研究人员说，这项超纯硅工程新技术使其成为大规模、高精度制造量子计算机的完美材料。

项目联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森（David Jamieson）教授说，今天（2024年5月7日）发表在《自然》杂志《通讯材料》（CommunicationMaterials）上的这一创新成果，使用了植入纯稳定硅晶体中的磷原子量子比特，通过延长众所周知的脆弱量子相干的持续时间，可以克服量子计算的一个关键障碍。

"脆弱的量子相干性意味着计算误差会迅速积累。有了我们的新技术提供的强大相干性，量子计算机可以在几小时或几分钟内解决一些传统或'经典'计算机--甚至超级计算机--需要几个世纪才能解决的问题，"杰米森教授说。

当一个量子比特（如原子核、电子或光子）处于多种状态的量子叠加时，它就是一个量子物体。当量子比特恢复到单一状态时，相干性就会消失，变成像传统计算机比特那样的经典物体，而传统计算机比特永远只有一个或零，永远不会处于叠加状态。

量子比特或量子比特--量子计算机的构件--容易受到环境微小变化的影响，包括温度波动。即使在接近绝对零度（零下 273摄氏度）的宁静冰箱中运行，目前的量子计算机也只能在极短的几分之一秒内保持无差错的一致性。

曼彻斯特大学的联合导师理查德-库里（Richard Curry）教授说，超纯硅允许构建高性能量子比特器件，而这是为可扩展量子计算机铺平道路所需的关键部件。

"我们所能做的就是有效地创造出构建硅基量子计算机所需的关键'砖块'。库里教授说："这是创造一项有可能改变人类的技术的关键一步。"

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，以便进行富集。资料来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学

领衔作者、曼彻斯特大学/墨尔本大学库克森联合学者拉维-阿查里亚说，硅芯片量子计算的最大优势在于它使用了与制造当今计算机芯片相同的基本技术。

"目前，日常计算机中的电子芯片由数十亿个晶体管组成，这些晶体管也可用于制造硅量子设备的量子比特。迄今为止，制造高质量硅量子比特的能力部分受限于所用硅起始材料的纯度。我们在这里展示的突破性纯度解决了这一问题"。

贾米森教授说："新型高度纯化的硅计算机芯片可以容纳和保护量子比特，使它们能够更长时间地保持量子相干性，从而能够进行复杂的计算，并大大减少纠错的需要。我们的技术为可靠的量子计算机开辟了道路，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利用、物流和制造等领域为整个社会带来阶跃式变革。"

硅由不起烟的海滩沙制成，是当今信息技术产业的关键材料，因为它是一种丰富而多用途的半导体：它可以作为电流的导体或绝缘体，具体取决于添加到其中的其他化学元素。

贾米森教授说："其他人正在尝试使用替代品，但我们相信硅是量子计算机芯片的主要候选者，它将实现可靠的量子计算所需的持久相干性。"

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。资料来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学

他说："问题在于，虽然天然存在的硅主要是理想的同位素硅-28，但也有大约 4.5% 的硅-29。硅-29 在每个原子核中都有一个额外的中子，它就像一块微小的流氓磁铁，会破坏量子相干性并产生计算误差。"

研究人员将一束聚焦的纯硅-28 高速射向硅芯片，使硅-28 逐渐取代芯片中的硅-29 原子，将硅-29 从百万分之四点五减少到百万分之二（0.0002%）。

"好消息是，要将硅纯化到这种程度，我们现在可以使用一台标准机器--离子注入机--你可以在任何半导体制造实验室找到它，并根据我们设计的特定配置进行调整。"

在之前发表的与澳大利亚研究理事会量子计算和通信技术卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）合作进行的研究中，墨尔本大学利用纯度较低的硅材料创造了 30 秒的单量子比特相干世界纪录，并且至今仍保持着这一纪录。30 秒的时间足以完成无差错的复杂量子计算。

贾米森教授说："现有最大的量子计算机拥有1000多个量子比特，但由于失去了一致性，在几毫秒内就会出现错误。既然我们已经可以生产出极纯的硅-28，我们的下一步将是证明我们可以同时维持许多量子比特的量子相干性。一台仅有 30 个量子比特的可靠量子计算机在某些应用中的性能将超过当今的超级计算机。"

这项最新研究工作得到了澳大利亚和英国政府的研究资助。贾米森教授与曼彻斯特大学的合作得到了英国皇家学会沃尔夫森访问学者奖学金的支持。

据澳大利亚联邦科学与工业研究组织 2020 年的一份报告 估计，到 2040 年，澳大利亚的量子计算有可能创造 1 万个工作岗位和 25 亿美元的年收入。

编译来源：ScitechDaily