超純硅或催生新一代量子計算芯片

參考消息網5月10日報道 據美國趣味科學網站5月7日報道，科學家們製造出一種強化的、超純形式的硅，它有朝一日可能成爲強大的量子計算機中高度可靠的“硅自旋量子比特”的基礎。

傳統計算機中的二進制位將數據編碼成1或0，而量子計算機中的量子比特可以是這兩種狀態的疊加——這意味着，它們可以實現一種被稱爲“相干性”的量子狀態，並且在處理計算時並行佔用1和0。

科學家們說，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這一目標。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鍵挑戰是，量子比特是“嘈雜的”。這就意味着，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，並在操作中途失敗。

這意味着，即使我們有一臺擁有數百萬個量子比特的量子計算機，哪怕用上糾錯技術，其中許多量子比特也是多餘的，這使得該機器的效率極低。

量子比特通常由鉭和鈮等超導金屬製成，因爲這些金屬具有近乎無限的傳導力和近乎無限的阻抗力。

但在5月7日發表於英國《自然·通訊-材料》雜誌的一篇新研究論文中，研究人員提出用一種新的、純淨形式的硅——用在傳統計算機中的半導體材料——作爲可擴展性遠超現有技術的量子比特的基礎。

美國量子時代計算公司——一家量子計算企業——表示，用硅、鎵或鍺等半導體材料製造的量子比特比超導金屬量子比特更有優勢。用上述半導體材料製造的量子比特的“相干”時間相對較長，製造成本較低，可在較高溫度下操作，而且體積極小——這意味着，單個芯片可以容納大量量子比特。但是，在計算過程中，半導體材料中的雜質會導致“退相干”，這使得它們不可靠。

在這項新研究中，科學家們提議用硅-28(Si-28)來製造量子比特。除去天然硅中的雜質後，他們將硅-28描述爲“世界上最純淨的硅”。他們說，這些硅基量子比特不太容易發生故障，而且可以被製造成針頭大小。

天然硅通常由三種同位素組成，它們是硅-28、硅-29和硅-30。

由於天然硅具有類金屬性質，它在傳統計算中表現良好，但在量子計算中使用它會出現問題。

特別是在天然硅中佔到5%的硅-29，它會導致“退相干”和信息丟失。在這項研究中，科學家們通過開發一種新的方法來設計不含硅-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，有效地製造出構建硅基量子計算機所需的關鍵‘磚塊’，”該研究論文的主要作者、英國曼徹斯特大學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人類的技術成爲可能的關鍵一步。”

科學家們說，理論上，可以用製作傳統電子芯片的方法來製作硅基量子計算機的組件。就傳統電子芯片而言，可以在一塊微小的電路板上安裝數十億個晶體管。他們還說，硅量子比特或硅自旋量子比特並不是什麼新鮮事，但硅的品質從未這樣純淨過，這一點是通過顯微鏡測試確定的。

考慮到現有的芯片製造方法，製造硅基量子比特也比製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物理學教授、該研究項目聯合主管戴維·賈米森在聲明中說：“現在我們可以生產出極純的硅-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用上能超過當今超級計算機的能力。”（編譯/龍君）