新型超纯硅芯片为强大的量子计算机开辟了道路

墨尔本大学和曼彻斯特大学的研究人员发明了一种制造高纯度硅的突破性技术，使强大的量子计算机又向前迈进了一大步。

研究人员表示，超纯硅的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。

墨尔本大学的项目联合导师DavidJamieson教授表示，这项发表在《通讯材料》杂志上的创新技术使用了将磷原子量子位植入纯稳定硅晶体中的技术，可以通过延长众所周知的量子计算的持续时间来克服量子计算的关键障碍。脆弱的量子相干性。

“脆弱的量子相干性意味着计算错误会迅速累积。凭借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，”贾米森教授说。

量子位或量子比特(量子计算机的构建模块)很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(负273摄氏度)的安静冰箱中运行，当前的量子计算机也只能在极短的时间内保持无差错的相干性。

曼彻斯特大学联合导师理查德·库里教授表示，超纯硅可以构建高性能量子比特设备，这是为可扩展量子计算机铺平道路所需的关键组件。

库里教授说：“我们能够做的就是有效地制造出构建硅基量子计算机所需的关键‘砖块’。这是制造一项有可能为人类带来变革的技术的关键一步。”

主要作者、曼彻斯特大学和墨尔本大学库克森学者联合学者拉维·阿查里亚(RaviAcharya)表示，硅芯片量子计算的巨大优势在于它使用了与当今计算机中使用的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创建硅基量子设备的量子位。迄今为止，创建高质量硅量子位的能力在一定程度上受到硅纯度的限制我们在这里展示的突破性纯度解决了这个问题。”

贾米森教授表示，新型高度纯化的硅计算机芯片容纳并保护量子位，使它们能够更长时间地维持量子相干性，从而实现复杂的计算，并大大减少纠错的需要。

主要作者和墨尔本大学/曼彻斯特大学联合博士。曼彻斯特大学P-NAME聚焦离子束实验室的学生RaviAcharya正在准备用于浓缩的硅芯片。图片来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学

他说：“我们的技术开辟了通往可靠量子计算机的道路，有望为整个社会带来巨大变革，包括人工智能、安全数据和通信、疫苗和药物设计以及能源使用、物流和制造。”

由海滩沙制成的硅是当今信息技术行业的关键材料，因为它是一种丰富且用途广泛的半导体：它可以充当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：“其他人正在尝试替代方案，但我们相信硅是量子计算机芯片的主要候选者，它将实现可靠量子计算所需的持久相干性。”

“问题是，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，它的作用就像一个微小的流氓磁铁，破坏了量子相干性，并且造成计算错误，”他说。

研究人员将纯硅28的聚焦高速光束射向硅芯片，使硅28逐渐取代芯片中的硅29原子，将硅29从4.5%减少到百万分之二(0.0002%))。

贾米森教授说：“好消息是将硅纯化到这种水平，我们现在可以使用标准机器——离子注入机——你可以在任何半导体制造实验室中找到这种机器，并根据我们设计的特定配置进行调整。”

在之前与ARC量子计算和通信技术卓越中心合作发表的研究中，墨尔本大学利用纯化程度较低的硅，创造并保持着30秒单量子位相干性的世界纪录。三十秒的时间足以完成无差错的复杂量子计算。

贾米森教授表示，现有最大的量子计算机拥有超过1000个量子位，但由于失去了相干性，错误会在几毫秒内发生。

“现在我们可以生产极其纯净的硅-28，我们的下一步将是证明我们可以同时维持许多量子位的量子相干性。对于某些应用来说，一台只有30个量子位的可靠量子计算机将超过当今超级计算机的能力，”他说。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)2020年的一份报告估计，到2040年，量子计算有潜力为澳大利亚创造10,000个就业岗位和25亿美元的年收入。

贾米森教授说：“我们的研究使我们更接近实现这一潜力。”