大规模量子计算机新突破:可构建高精度量子芯片

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(图片来源:墨尔本大学)

近日,由来自澳大利亚墨尔本大学、澳大利亚新南威尔士大学、澳大利亚墨尔本理工大学、德国HZDR研究所和德国莱布尼茨表面工程研究所的研究人员,共同开发出一种新的硅芯片构建技术,可实现将原子逐个且精确地嵌入到硅晶片中,从而提升构建量子计算机的可靠性并降低成本。

 

这项研究已发表在《Advanced Materials》上。据相关研究人员称,他们采用了一种原子力显微镜的悬臂梁微尖端方法,该显微镜的优势在于具有高精度,可以将在“接触”芯片表面时的定位精度控制到半纳米,这近似于硅晶体中原子间的空间距离。

 

其具体操作思路是,在悬臂梁上钻一个小孔,当向硅晶圆抛洒磷原子时,一个磷原子将随机从孔中掉落并嵌入到晶圆中。在此过程中,一个关键因素是必须准确地知道原子落到晶圆上的时间,从而指挥悬梁臂精确地移动到指定位置。

 

该论文指出,到目前为止在晶圆中注入原子一直是一个不受控制的过程,因为当向晶圆抛洒原子时,原子会随机落下,就像打在窗户上的雨滴一样。现在,该团队发现原子落到硅晶体上时会发出“咔哒”声,利用这一特性可提升识别落入指定位置的精确度。

 

“一个原子与一块硅晶体碰撞时会发出非常微弱的‘咔哒’声,我们发明了一个非常灵敏的电子设备用于检测咔哒声,并将咔哒声放大形成响亮而可靠的信号,”墨尔本大学教授和该论文的责任作者David Jamieson说。“换句话说,‘有一个咔哒声,就表示一个原子刚刚到达。’现在我们可以将悬梁臂移动到下一个位置以等待下一个原子落入了。”  

 

该项研究所使用的设备包括灵敏的X射线探测器,特殊原子力显微镜(最初为Rosetta机器人空间探测器计划而开发),以及用于离子注入轨迹的计算机模型。

 

该论文作者、新南威尔士大学科学教授Andrea Morello说,该技术将有助于创建出大规模量子计算机用于设计测试实验的量子比特芯片。“基于大型单原子阵列进行量子逻辑运算,我们将能够设计出高精度计算的量子处理器。”

 

“当原子注入到硅晶圆时,不再是随机位置植入大量原子,而是将原子精准地放置在有序阵列中,用以达到效果最好。这与传统半导体计算机芯片中晶体管的放置方式非常接近。”

 

Jamieson补充说,采用新技术可以开发出一些用于包括加密密码学和药物研发等潜在的大规模量子设备,例如加速疫苗研发。“我们相信,通过采用新方法以及半导体行业中成熟的制造技术,最终将可制造出基于单原子量子比特的大规模量子计算机。”

 

此前,澳大利亚量子材料公司Archer Materials曾表示,它目前正在研发一种“芯片上的实验室”技术,目标是设计出一种基于石墨烯的超灵敏传感器用以疾病检测和分析。该公司还公布了这种生物芯片技术的最新进展:已成功地实现了将单原子厚的石墨烯片集成到硅晶圆上。这意味着其解决了纳米级这一关键技术挑战。

 

根据Archer Materials的说法,该集成是通过电子束光刻系统重复地制造石墨烯器件而实现。Archer Materials的CEO Mohammad Choucair博士将该集成视为其公司生物芯片开发的“重要”一步。 

 

Mohammad Choucair博士说道:“这是许多战略规划布局与协同的结果,是人才、世界一流的设施和技术通力合作而取得的成果。令人兴奋的是,Archer Materials的12个量子比特芯片开发也将从中受益。”

文:Aimee Chanthadavong

编译:李每

编辑:慕一
注:本文编译自“ZDNet”,不代表量子前哨观点。

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