“最纯硅”激增相干时间，引领百万量子比特芯片革命

“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，其中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。

研究人员表明，这种新开发的超纯硅工程技术，使其成为批量生产高精度量子计算机的理想材料。

墨尔本大学的项目联合导师David Jamieson教授解释说，这项创新利用了植入纯净稳定硅晶体的磷原子量子比特，能够显著延长脆弱的量子相干时间，从而克服量子计算中的关键障碍。

“过去，量子相干的脆弱性意味着计算错误会迅速累积。通过我们新技术提供的强大相干性，量子计算机能够在几小时或几分钟内完成传统计算机甚至超级计算机几个世纪才能解决的问题。” Jamieson教授补充。

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。

曼彻斯特大学的联合导师Richard Curry教授表示，超纯硅使得构建高性能量子比特器件成为可能，这是实现可扩展量子计算机的关键。

“我们已经有效地制造出了构建硅基量子计算机所需的关键步骤。” Curry教授说，“这是一步可能改变人类未来的关键技术。”

领衔作者、曼彻斯特大学/墨尔本大学的学者Ravi Acharya指出，硅芯片量子计算的最大优势在于其使用了与现代计算机芯片生产相同的基本技术。

“日常电子芯片由数十亿个晶体管组成，这些晶体管也可用于构造硅基量子设备的量子比特。到目前为止，高质量硅量子比特的制造受限于使用的硅原材料的纯度。我们所展示的突破性纯度解决了这一问题。”

Jamieson教授进一步说明，新型高纯度硅芯片能够容纳和保护量子比特，使其能够维持更长时间的量子相干性，从而能够执行复杂计算，并显著减少纠错的需求。

他补充说：“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、数据安全和通信、疫苗和药物设计、能源、物流和制造等领域为社会带来重大变革。”

Rich Curry教授（右）和Mason Adshead博士（左）

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

硅是从普通沙子中提炼出来的关键材料，对今日信息技术产业至关重要。作为一种资源丰富的半导体，硅具有独特的双重功能：根据掺杂的其他化学元素的不同，它既可以导电也可以绝缘。

但硅有何特殊之处呢？普通市售的硅纯度实际上并不足够。这是因为普通硅晶体中包含了多种同位素的混合物，即使是同一种硅元素的不同中子数版本。其中大约4.7%的硅原子具有核自旋，这种自旋会干扰脆弱的量子态，类似于晶体中散布的无数微小的旋转陀螺，从而使量子比特失去平衡。

Jamieson教授指出：“尽管其他人尝试使用替代材料，我们认为硅是量子计算机芯片的主要候选材料，因为它能提供量子计算所需的持久一致性。”

“问题在于，尽管天然硅主要是理想的同位素硅-28，但也存在约4.5%的硅-29。硅-29的每个原子核中多了一个中子，就像一块微小的破坏性磁铁，它能破坏量子相干性并导致计算错误。”

为了解决这一问题，研究团队使用了一种称为“聚焦离子束植入器”（focused ion beam implanter）的高科技设备。这种设备能够发射一束集中的、加速的纯硅-28离子——不具备任何核自旋的同位素——穿透硅晶体。通过精确瞄准并扫描硅表面的微米级区域，研究人员能够将这些区域的硅-28富集（enrichment）到前所未有的高水平。

实验中，研究人员将一束聚焦、高速的纯硅-28射向硅芯片，逐步取代芯片中的硅-29原子，从而将硅-29的比例从4.5%降至百万分之二（0.0002%）。按照研究人员的说法，在每个量子比特周围的关键区域，平均只剩下大约0.004个杂散的硅-29原子。

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）

使用工具进行聚焦离子束同位素富集

此次工作中概述的用于制造同位素富集28Si样品的植入和退火参数概要

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。

先前实验使用的硅基自旋量子比特设备的示意图

https://www.nature.com/articles/nnano.2014.211

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。

根据澳大利亚联邦科学与工业研究组织在2020年发布的报告预测，到2040年，量子计算有望为澳大利亚创造约1万个工作岗位和25亿美元的年收入。

Jamieson教授表示：“我们的研究让我们更接近于实现这一巨大潜力。”

[1]https://phys.org/news/2024-05-super-pure-silicon-chip-path.html

[2]https://studyfinds.org/purest-silicon-quantum-computers/

[3]https://scitechdaily.com/ultra-pure-silicon-chip-sparks-a-quantum-computing-revolution/

[4]https://www.livescience.com/technology/computing/worlds-purest-silicon-could-lead-to-1st-million-qubit-quantum-computing-chips

[5]https://cosmosmagazine.com/technology/materials/pure-silicon-quantum-computing/

[6]https://www.techexplorist.com/quantum-breakthrough-worlds-purest-silicon-brings-powerful-quantum-computers/83620/