科学家开发了用于构建大规模量子计算机的新方法

光子盒研究院出品

墨尔本大学David Jamieson教授领导的团队完善了一种新技术，将单个原子逐个嵌入硅片中，这是一种用于制造传统器件的镜像方法，量子计算机可以用这种新技术廉价可靠地制造出来。这项新技术可以创建受控的大规模计数原子模式，从而可以操纵、耦合和读出它们的量子态。

论文已经发表在Advanced Materials上[1]。这项新技术由David Jamieson教授和新南威尔士大学、亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心(HZDR)、莱布尼茨表面改性研究所(IOM)和皇家墨尔本理工大学(RMIT)的合著者开发。

Jamieson教授表示，他的团队的愿景是利用这项技术构建一个非常大规模的量子设备。“我们相信，我们的方法加上半导体行业已经完善的制造技术，我们最终能够制造出基于单原子量子比特的大型机器。”

通过逐个嵌入原子来构建硅量子计算机芯片

直到现在，在硅中植入原子一直是一个偶然的过程，硅芯片被大量的磷以随机的方式植入，就像窗户上的雨滴。

但在本文中，研究人员成功将单个原子一个接一个地嵌入硅片中。他们将磷离子嵌入到硅基板中，精确地计算每个离子，创建一个量子比特“片”(chip)，然后可以在实验室中用于测试大规模器件的设计。

“这将使我们能够设计大型单个原子阵列之间的量子逻辑运算，在整个处理器中保持高度精确的运算。相比过去的方法(在随机位置植入许多原子并选择最有效的原子)，现在它们将被有序排列，类似于传统半导体计算机芯片中的晶体管。”新南威尔士大学的Andrea Morello教授说，他是这篇论文的联合作者。

“我们使用了为敏感X射线探测器开发的先进技术和最初为Rosetta(机器人空间探测器计划)太空任务开发的特殊原子力显微镜，以及与我们在德国的同事合作开发的离子注入硅的轨迹的综合计算机模型。”这篇论文的第一作者、同样来自墨尔本大学的Alexander Jakob博士说。

Jamieson教授和他的同事开发的这项技术利用了原子力显微镜的精度，该显微镜有一个尖锐的悬臂，轻轻地“接触”硅片表面，定位精度仅为半纳米，大约相当于硅晶体中原子之间的间距。

研究团队在这个悬臂上钻了一个小孔，这样当它被磷原子簇射时，偶尔会从孔中掉下来并嵌入硅基板中。然而关键是准确地知道一个原子(而且不超过一个)何时嵌入基板中。然后悬臂可以移动到阵列上的下一个精确位置。

将单个原子逐个嵌入硅片

研究团队发现，当原子进入硅晶体并通过摩擦耗散其能量时，原子的动能可以被利用来产生微小的电子“咔嗒”声。这样，他们就可以知道一个原子已嵌入硅中并移动到下一个精确位置。

“当每个原子落入我们的原型装置中的10000个位置之一时，我们可以‘听到’电子的咔嗒声。这种声音非常微弱，但我们发明了用于检测咔嗒声的非常灵敏的电子设备，它被放大了很多倍，可以发出响亮而可靠的信号，”Jamieson教授说。

他补充说，该技术可以创建受控的大规模计数原子模式，从而可以操纵、耦合和读出它们的量子态。“与我们的中心合作伙伴一起，我们已经在用这种技术制造的单原子量子比特上取得了突破性的成果，这一新发现将加速我们在大型设备上工作的进展。”

参考链接：

[1]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103235

[2]https://phys.org/news/2022-01-silicon-quantum-chip-atom.html

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