科學家開發了用於構建大規模量子計算機的新方法

墨爾本大學David Jamieson教授領導的團隊完善了一種新技術，將單個原子逐個嵌入矽片中，這是一種用於製造傳統器件的映象方法，量子計算機可以用這種新技術廉價可靠地製造出來。這項新技術可以建立受控的大規模計數原子模式，從而可以操縱、耦合和讀出它們的量子態。

論文已經發表在Advanced Materials上[1]。這項新技術由David Jamieson教授和新南威爾士大學、亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心(HZDR)、萊布尼茨表面改性研究所(IOM)和皇家墨爾本理工大學(RMIT)的合著者開發。

Jamieson教授表示，他的團隊的願景是利用這項技術構建一個非常大規模的量子裝置。“我們相信，我們的方法加上半導體行業已經完善的製造技術，我們最終能夠製造出基於單原子量子位元的大型機器。”

直到現在，在矽中植入原子一直是一個偶然的過程，矽晶片被大量的磷以隨機的方式植入，就像窗戶上的雨滴。

但在本文中，研究人員成功將單個原子一個接一個地嵌入矽片中。他們將磷離子嵌入到矽基板中，精確地計算每個離子，建立一個量子位元“片”(chip)，然後可以在實驗室中用於測試大規模器件的設計。

“這將使我們能夠設計大型單個原子陣列之間的量子邏輯運算，在整個處理器中保持高度精確的運算。相比過去的方法(在隨機位置植入許多原子並選擇最有效的原子)，現在它們將被有序排列，類似於傳統半導體計算機晶片中的電晶體。”新南威爾士大學的Andrea Morello教授說，他是這篇論文的聯合作者。

“我們使用了為敏感X射線探測器開發的先進技術和最初為Rosetta(機器人空間探測器計劃)太空任務開發的特殊原子力顯微鏡，以及與我們在德國的同事合作開發的離子注入矽的軌跡的綜合計算機模型。”這篇論文的第一作者、同樣來自墨爾本大學的Alexander Jakob博士說。

Jamieson教授和他的同事開發的這項技術利用了原子力顯微鏡的精度，該顯微鏡有一個尖銳的懸臂，輕輕地“接觸”矽片表面，定位精度僅為半奈米，大約相當於矽晶體中原子之間的間距。

研究團隊在這個懸臂上鑽了一個小孔，這樣當它被磷原子簇射時，偶爾會從孔中掉下來並嵌入矽基板中。然而關鍵是準確地知道一個原子(而且不超過一個)何時嵌入基板中。然後懸臂可以移動到陣列上的下一個精確位置。

將單個原子逐個嵌入矽片

研究團隊發現，當原子進入矽晶體並透過摩擦耗散其能量時，原子的動能可以被利用來產生微小的電子“咔嗒”聲。這樣，他們就可以知道一個原子已嵌入矽中並移動到下一個精確位置。

“當每個原子落入我們的原型裝置中的10000個位置之一時，我們可以‘聽到’電子的咔嗒聲。這種聲音非常微弱，但我們發明了用於檢測咔嗒聲的非常靈敏的電子裝置，它被放大了很多倍，可以發出響亮而可靠的訊號，”Jamieson教授說。

他補充說，該技術可以建立受控的大規模計數原子模式，從而可以操縱、耦合和讀出它們的量子態。“與我們的中心合作伙伴一起，我們已經在用這種技術製造的單原子量子位元上取得了突破性的成果，這一新發現將加速我們在大型裝置上工作的進展。”

參考連結：

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

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