合著者（左）David Jamieson教授（墨尔本大学）和（右）Maddison Coke博士（曼彻斯特大学）检查曼彻斯特大学用于硅浓缩项目的P-NAME聚焦离子束系统。图片来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学

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更近了一大步。

研究人员说，设计超纯硅的新技术使其成为大规模和高精度制造量子计算机的完美材料。

来自墨尔本大学的项目共同主管David Jamieson教授表示，这项创新发表在《通信材料》杂志上，它使用将磷原子的量子比特植入纯稳定硅的晶体中，并且可以通过延长众所周知的脆弱量子相干性的持续时间来克服量子计算的关键障碍。

“脆弱的量子相干性意味着计算错误会迅速增加。凭借我们的新技术提供的强大连贯性，量子计算机可以在几小时或几分钟内解决一些需要传统或'经典'计算机（甚至是超级计算机）才能解决的问题，“贾米森教授说。

量子比特或量子比特（量子计算机的构建块）容易受到环境的微小变化的影响，包括温度波动。即使在接近绝对零度（零下273摄氏度）的安静冰箱中运行，当前的量子计算机也只能在几分之一秒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（Richard Curry）教授表示，超纯硅允许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。

“我们能够做的是有效地创造一个关键的'砖'，以构建一个基于硅的量子计算机。这是制造一种有可能为人类带来变革的技术的关键一步，“库里教授说。

该研究的主要作者、曼彻斯特大学/墨尔本大学库克森分校联合学者Ravi Acharya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为硅基量子器件创建量子比特。迄今为止，创建高质量硅量子比特的能力在一定程度上受到所用硅起始材料纯度的限制。我们在这里展示的突破性纯度解决了这个问题。

Jamieson教授说，新的高度纯化的硅计算机芯片可以容纳和保护量子比特，因此它们可以更长时间地维持量子相干性，从而实现复杂的计算，大大减少了纠错的需要。

主要作者和墨尔本大学/曼彻斯特大学联合博士生Ravi Acharya在曼彻斯特大学P-NAME聚焦离子束实验室中准备用于富集的硅芯片。图片来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学

他说：“我们的技术为可靠的量子计算机开辟了道路，这些量子计算机有望在整个社会中实现重大变化，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。

硅由沙滩沙子制成，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，具体取决于添加的其他化学元素。

“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，它将实现可靠的量子计算所需的持久一致性，”Jamieson教授说。

“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在每个原子的原子核中都有一个额外的中子，就像一个微小的流氓磁铁，破坏量子相干性并产生计算错误，“他说。

研究人员将纯硅-28的聚焦高速光束对准硅芯片，因此硅-28逐渐取代了芯片中的硅-29原子，将硅-29从4.5%减少到百万分之二（0.0002%）。

“好消息是将硅纯化到这个水平，我们现在可以使用标准机器 - 离子注入器 - 你可以在任何半导体制造实验室中找到，调整到我们设计的特定配置，”Jamieson教授说。

在之前与ARC量子计算和通信技术卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）合作发表的研究中，墨尔本大学（University of Melbourne）使用纯度较低的硅创造了30秒的单量子比特相干性世界纪录。30 秒是完成无差错、复杂量子计算的足够时间。

Jamieson教授说，现存最大的量子计算机有超过1000个量子比特，但由于失去相干性，错误在几毫秒内发生。

“现在我们可以生产出极其纯净的硅-28，我们的下一步将是证明我们可以同时维持许多量子比特的量子相干性。对于某些应用，只有30个量子比特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，澳大利亚的量子计算有可能创造 10,000 个就业机会和 25 亿澳元的年收入。

“我们的研究使我们更接近实现这种潜力，”Jamieson教授说。

更多信息：通过局部聚焦离子束注入实现高度 28Si 富集硅，Communications Materials （2024）。DOI： 10.1038/s43246-024-00498-0

期刊信息： Communications Materials