超純硅或催生新一代量子計算芯片
超純硅或催生新一代量子計算芯片
來源：參考消息網(wǎng)
參考消息網(wǎng)5月10日報道 據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站5月7日報道，科學(xué)家們制造出一種強化的、超純形式的硅，它有朝一日可能成為強大的量子計算機中高度可靠的“硅自旋量子比特”的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)計算機中的二進(jìn)制位將數(shù)據(jù)編碼成1或0，而量子計算機中的量子比特可以是這兩種狀態(tài)的疊加——這意味著，它們可以實現(xiàn)一種被稱為“相干性”的量子狀態(tài)，并且在處理計算時并行占用1和0。
科學(xué)家們說，這些機器可能比世界上最快的超級計算機更強大，但需要大約100萬個量子比特才能實現(xiàn)這一目標(biāo)。目前最大的量子計算機大約擁有1000個量子比特。
量子計算面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，量子比特是“嘈雜的”。這就意味著，它們很容易受到溫度變化等因素的干擾，且需要將溫度降到接近絕對零度。否則，它們很容易丟失信息，并在操作中途失敗。
這意味著，即使我們有一臺擁有數(shù)百萬個量子比特的量子計算機，哪怕用上糾錯技術(shù)，其中許多量子比特也是多余的，這使得該機器的效率極低。
量子比特通常由鉭和鈮等超導(dǎo)金屬制成，因為這些金屬具有近乎無限的傳導(dǎo)力和近乎無限的阻抗力。
但在5月7日發(fā)表于英國《自然·通訊-材料》雜志的一篇新研究論文中，研究人員提出用一種新的、純凈形式的硅——用在傳統(tǒng)計算機中的半導(dǎo)體材料——作為可擴展性遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)的量子比特的基礎(chǔ)。
美國量子時代計算公司——一家量子計算企業(yè)——表示，用硅、鎵或鍺等半導(dǎo)體材料制造的量子比特比超導(dǎo)金屬量子比特更有優(yōu)勢。用上述半導(dǎo)體材料制造的量子比特的“相干”時間相對較長，制造成本較低，可在較高溫度下操作，而且體積極小——這意味著，單個芯片可以容納大量量子比特。但是，在計算過程中，半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)會導(dǎo)致“退相干”，這使得它們不可靠。
在這項新研究中，科學(xué)家們提議用硅-28(Si-28)來制造量子比特。除去天然硅中的雜質(zhì)后，他們將硅-28描述為“世界上最純凈的硅”。他們說，這些硅基量子比特不太容易發(fā)生故障，而且可以被制造成針頭大小。
天然硅通常由三種同位素組成，它們是硅-28、硅-29和硅-30。
由于天然硅具有類金屬性質(zhì)，它在傳統(tǒng)計算中表現(xiàn)良好，但在量子計算中使用它會出現(xiàn)問題。
特別是在天然硅中占到5%的硅-29，它會導(dǎo)致“退相干”和信息丟失。在這項研究中，科學(xué)家們通過開發(fā)一種新的方法來設(shè)計不含硅-29和硅-30原子的硅，從而解決了這個問題。
“我們所能做的就是，有效地制造出構(gòu)建硅基量子計算機所需的關(guān)鍵‘磚塊’，”該研究論文的主要作者、英國曼徹斯特大學(xué)研究高級電子材料的教授理查德·柯里在一份聲明中說，“這是使一項有可能改變?nèi)祟惖募夹g(shù)成為可能的關(guān)鍵一步。”
科學(xué)家們說，理論上，可以用制作傳統(tǒng)電子芯片的方法來制作硅基量子計算機的組件。就傳統(tǒng)電子芯片而言，可以在一塊微小的電路板上安裝數(shù)十億個晶體管。他們還說，硅量子比特或硅自旋量子比特并不是什么新鮮事，但硅的品質(zhì)從未這樣純凈過，這一點是通過顯微鏡測試確定的。
考慮到現(xiàn)有的芯片制造方法，制造硅基量子比特也比制造其他種類的量子比特要容易得多。因此，研究人員說，使用硅基量子比特的量子計算機可以比競爭對手更快地擴展到百萬量子比特量級。
澳大利亞墨爾本大學(xué)物理學(xué)教授、該研究項目聯(lián)合主管戴維·賈米森在聲明中說：“現(xiàn)在我們可以生產(chǎn)出極純的硅-28。我們的下一步將是，證明我們可以讓許多量子比特同時保持量子相干性。一臺僅擁有30個量子比特、可靠的量子計算機在某些應(yīng)用上能超過當(dāng)今超級計算機的能力?！保ň幾g/龍君）
