量子突破？硅可以成為擴展量子計算機的答案？

來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

時至今日，歷史再次重演，這一次是在量子計算領(lǐng)域。

在“核物理奠基人”"歐內(nèi)斯特-盧瑟福（Ernest Rutherford）所創(chuàng)立的開創(chuàng)性方法基礎(chǔ)之上，該大學(xué)的科學(xué)家與澳大利亞墨爾本大學(xué)合作，生產(chǎn)出了一種增強型超純硅，可用于制造高性能量子比特設(shè)備——這是為可擴展量子計算機鋪平道路所需的基本組件。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《通訊材料》（Communications Materials - Nature）雜志上，它可以定義和推動量子計算的未來。

曼徹斯特大學(xué)先進電子材料學(xué)教授理查德-庫里（Richard Curry）說：“我們所能做的就是有效地創(chuàng)造出構(gòu)建硅基量子計算機所需的關(guān)鍵'磚塊'。這可能是使人類技術(shù)變革可行的關(guān)鍵一步；這項技術(shù)可以賦予我們大規(guī)模處理數(shù)據(jù)的能力，使我們能夠找到解決復(fù)雜問題的方案，如應(yīng)對氣候變化的影響和解決醫(yī)療保健方面的挑戰(zhàn)?！?/p>

曼徹斯特大學(xué)一直處于科學(xué)創(chuàng)新的前沿，包括 1917 年盧瑟福的 “分裂原子”發(fā)現(xiàn)；1948 年第一次在現(xiàn)實生活中展示電子存儲程序計算，以及現(xiàn)在向量子計算邁出的這一步。

克服挑戰(zhàn)

開發(fā)量子計算機的最大挑戰(zhàn)之一是量子比特，它是量子計算的構(gòu)件，且具有高度敏感性，需要一個穩(wěn)定的環(huán)境來保持它們所保存的信息。即使環(huán)境發(fā)生微小變化，包括溫度波動，也會導(dǎo)致計算機出錯。

另一個問題是它們的規(guī)模，包括物理尺寸和處理能力。10 個量子比特的處理能力與普通計算機中的 1,024 個比特相同，而且所占體積可能更小?？茖W(xué)家們認為，一臺性能完好的量子計算機需要約 100 萬個量子比特，這提供了任何經(jīng)典計算機都無法實現(xiàn)的能力。

硅，因其半導(dǎo)體特性，而成為經(jīng)典計算的基礎(chǔ)材料，研究人員認為硅可以成為擴展量子計算機的答案。在過去的 60 年里，科學(xué)家們一直在學(xué)習(xí)如何設(shè)計硅，使其發(fā)揮最大性能，但在量子計算中，硅也面臨著挑戰(zhàn)。

天然硅由三種不同質(zhì)量的同位素：硅-28、硅-29和硅-30。然而，Si-29約占硅的5%，它會產(chǎn)生"核觸發(fā)"效應(yīng)，導(dǎo)致量子比特丟失信息。

曼徹斯特大學(xué)（University of Manchester）的科學(xué)家們?nèi)〉昧艘豁椡黄菩赃M展，他們提出了一種方法來設(shè)計硅，即去除硅-29和硅-30同位素，使其成為大規(guī)模、高精度制造量子計算機的完美材料。

這是世界上最純凈的硅——它為制造一百萬個量子比特提供了途徑，這些量子比特可以被制造成針頭大小。

領(lǐng)導(dǎo)該項目的博士研究員Ravi Acharya解釋說："硅量子計算的最大優(yōu)勢在于，目前日常計算機中的電子芯片由數(shù)十億個晶體管組成，而制造這些電子芯片的技術(shù)同樣可以用于制造硅量子設(shè)備的量子比特。迄今為止，制造高質(zhì)量硅量子比特的能力部分受限于所用硅起始材料的純度。我們在這里展示的突破性純度解決了這一問題。

這項新技術(shù)為實現(xiàn)具有無與倫比的性能和功能的可擴展量子設(shè)備提供了路線圖。

項目聯(lián)合導(dǎo)師、墨爾本大學(xué)的戴維-賈米森（David Jamieson）教授說：“我們的技術(shù)開辟了通往可靠量子計算機的道路，有望在人工智能、安全數(shù)據(jù)和通信、疫苗和藥物設(shè)計以及能源利用、物流和制造等領(lǐng)域為整個社會帶來變革?！?/p>

“既然我們能夠生產(chǎn)出極純的硅-28，我們的下一步將是證明我們能夠同時維持許多量子比特的量子相干性。對于某些應(yīng)用，一臺僅有 30 個量子比特的可靠量子計算機的性能將超過當(dāng)今的超級計算機?！?/p>

什么是量子計算及其工作原理？

所有計算機都利用電子運行。電子除了帶有負電荷外，還具有另一種被稱為 "自旋 "的特性，這種特性通常被比作旋轉(zhuǎn)的陀螺。

計算機內(nèi)存中電子的自旋可以產(chǎn)生磁場。這個磁場的方向可以用來創(chuàng)建一個代碼，其中一個方向稱為 "0"，另一個方向稱為 "1"。這樣，我們就可以使用一種只使用 0 和 1 向計算機發(fā)出指令的數(shù)字系統(tǒng)。每個 0 或 1 稱為一個比特。

在量子計算機中，我們可以使用單個電子的自旋，而不是數(shù)百萬個電子自旋的綜合效應(yīng)，從而從 "經(jīng)典 "世界進入 "量子 "世界；從使用 "比特 "進入 "量子比特"。

雖然經(jīng)典計算機會進行一個又一個計算，但量子計算機可以同時進行所有計算，從而以無與倫比的速度處理大量信息并進行非常復(fù)雜的計算。

雖然量子計算仍處于早期階段，但一旦得到充分發(fā)展，量子計算機將被用于解決現(xiàn)實世界中的復(fù)雜問題，如藥物設(shè)計、更準確的天氣預(yù)報，而這些計算對于今天的超級計算機來說太難了。

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審核編輯 黃宇