超純硅或催生新一代量子計(jì)算芯片
超純硅或催生新一代量子計(jì)算芯片
來(lái)源：參考消息網(wǎng)
參考消息網(wǎng)5月10日?qǐng)?bào)道 據(jù)美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站5月7日?qǐng)?bào)道，科學(xué)家們制造出一種強(qiáng)化的、超純形式的硅，它有朝一日可能成為強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)中高度可靠的“硅自旋量子比特”的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制位將數(shù)據(jù)編碼成1或0，而量子計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)一種被稱為“相干性”的量子狀態(tài)，并且在處理計(jì)算時(shí)并行占用1和0。
科學(xué)家們說(shuō)，這些機(jī)器可能比世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大，但需要大約100萬(wàn)個(gè)量子比特才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。目前最大的量子計(jì)算機(jī)大約擁有1000個(gè)量子比特。
量子計(jì)算面臨的一個(gè)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(duì)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(tái)擁有數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，哪怕用上糾錯(cuò)技術(shù)，其中許多量子比特也是多余的，這使得該機(jī)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?yàn)檫@些金屬具有近乎無(wú)限的傳導(dǎo)力和近乎無(wú)限的阻抗力。
但在5月7日發(fā)表于英國(guó)《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(jì)算機(jī)中的半導(dǎo)體材料——作為可擴(kuò)展性遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)的量子比特的基礎(chǔ)。
美國(guó)量子時(shí)代計(jì)算公司——一家量子計(jì)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(shì)。用上述半導(dǎo)體材料制造的量子比特的“相干”時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，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(gè)芯片可以容納大量量子比特。但是，在計(jì)算過(guò)程中，半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致“退相干”，這使得它們不可靠。
在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們提議用硅-28(Si-28)來(lái)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(shuō)，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(jì)算中表現(xiàn)良好，但在量子計(jì)算中使用它會(huì)出現(xiàn)問題。
特別是在天然硅中占到5%的硅-29，它會(huì)導(dǎo)致“退相干”和信息丟失。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們通過(guò)開發(fā)一種新的方法來(lái)設(shè)計(jì)不含硅-29和硅-30原子的硅，從而解決了這個(gè)問題。
“我們所能做的就是，有效地制造出構(gòu)建硅基量子計(jì)算機(jī)所需的關(guān)鍵‘磚塊’，”該研究論文的主要作者、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)研究高級(jí)電子材料的教授理查德·柯里在一份聲明中說(shuō)，“這是使一項(xiàng)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(shuō)，理論上，可以用制作傳統(tǒng)電子芯片的方法來(lái)制作硅基量子計(jì)算機(jī)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(gè)晶體管。他們還說(shuō)，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(guò)，這一點(diǎn)是通過(guò)顯微鏡測(cè)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(shuō)，使用硅基量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更快地?cái)U(kuò)展到百萬(wàn)量子比特量級(jí)。
澳大利亞墨爾本大學(xué)物理學(xué)教授、該研究項(xiàng)目聯(lián)合主管戴維·賈米森在聲明中說(shuō)：“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(shí)保持量子相干性。一臺(tái)僅擁有30個(gè)量子比特、可靠的量子計(jì)算機(jī)在某些應(yīng)用上能超過(guò)當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力。”（編譯/龍君）
