科学家制成“世界上最纯净的硅”,量子计算机真的要来了?

来源:科普中国 发布时间:2024年06月28日 作者:科普中国

2024 年 5 月 7 日,英国曼彻斯特大学和澳大利亚墨尔本大学的研究人员在《自然·通讯材料》杂志上发表了一项突破性研究。他们利用聚焦离子束(FIB)技术制造出了一种高度富集 28Si 的“超纯硅”。这一发现为构建具有可扩展量子计算机的高性能量子比特设备提供了新的途径,从而为实现稳定的量子计算平台奠定了基础。

图片

(来源:《自然・通讯材料》官网截图)

尽管量子计算领域的研究成果往往晦涩难懂,但量子计算机和量子这个概念却在生活中频繁出现(比如名梗:遇事不决量子力学)。

那么,量子计算究竟是什么?量子计算机真的可能实现吗?有没有可能用生活中的概念去尝试理解它们?为了让大家对量子计算有一个初步的了解,我们这里尽可能地以通俗化、具象化的语言来跟大家聊聊量子计算的那些三五事儿。

量子计算(机)究竟是解决什么问题的?

与经典计算不同,量子计算遵循量子力学规律,它是能突破经典算力瓶颈的新型计算模式。量子计算机以量子比特为基本运算单元,所谓的量子比特,是与经典比特作为区分。

微信图片_20240624161916.jpg

量子计算的发展历程(来源:国际商业机器公司 IBM)

以上句子看起来很难理解,我们这里逐句拆解进行讲述。

量子计算,看到对于这种冠有“量子”title 的名词,我们很难不将其与量子力学联系起来。自然而然,这种基于量子力学原理的计算方式与传统的经典计算有着本质的不同。

具体来说,在经典计算中,信息是通过二进制数字(bits)来表示的,这种二进制数字或为 0 或为 1,类似一个只有开和关两个状态的“开关”。然而,量子计算打破了这一传统,信息是通过另一种方式即量子比特(qubits)来表示的,这种量子比特可以同时处于 0 和 1 的状态,也就是一种叠加态(这里可以参考薛定谔老先生那只既死又活的神奇猫咪)。

除此之外,量子比特之间还可以存在某种特殊的关联,称为量子纠缠,这更类似一个可以处于多个状态的“开关旋钮”。

凭借其独特的特性,量子计算机便能够利用量子比特进行计算,并且计算能力可以实现指数级爆炸式增长(这是因为 r 个量子比特可以承载 2r 个状态的叠加态,从而在每次计算中实现 2r 倍的计算量。相比之下,经典计算机需要 2r 个经典比特才能实现同样的算力)。

因此量子比特在计算某些特定数学问题方面更胜一筹,这就意味着量子计算机可以纵横并重塑各个领域,突破目前阻碍任何涉及量子力学的极限。

量子计算机是否可以实现?

要想实现量子计算,目前主流的技术路线包括超导、离子阱、半导体、光学、量子拓扑等(其中,超导和离子阱的发展最为迅速)。目前来看,每种技术路线都有其优缺点,尚未有哪种路线能够完全满足实用化的要求。

微信图片_20240624161945.png

实现量子计算的主要技术路线(来源:《2023 全球量子计算产业发展展望》)

量子计算机利用量子比代替传统计算机中的二进制比特,通过量子叠加和量子纠缠实现计算能力的飞跃。

量子计算机的概念最早可以追溯到 20 世纪 80 年代,美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)提出了利用量子系统模拟其他量子系统的想法。1994 年,美国计算机科学家彼得·秀尔(Peter Shor)提出了一个量子算法,能够高效地分解大数,这一算法展示了量子计算机在解决特定问题上具有潜在优势。

微信图片_20240624161959.jpg

量子计算机的发展历程 (来源:日经中文网)

进入 21 世纪以来,量子计算机的研制已成为全球科技前沿的重大挑战之一。国际商业机器公司(IBM)、谷歌(Google)、英特尔(Intel)等国际知名科技公司以及多所大学都在量子计算领域投入了大量资源。

2019 年,美国谷歌公司研制出 53 个量子比特的计算机“悬铃木”,在全球首次实现量子优越性,他们宣称实现了“量子霸权”(量子处理器在特定任务上的表现超过了当时最先进的经典超级计算机)。

值得注意的是,中国在量子计算领域也取得了重大进展。

2020 年,中国科学技术大学潘建伟院士团队构建了 76 个光子的量子计算原型机“九章”,使中国成为全球第二个实现量子优越性的国家。2021 年,潘建伟院士团队及合作者成功研制了 113 个光子的“九章二号”和 66 比特的“祖冲之二号”量子计算原型机,使中国成为在光学和超导两条技术路线上都实现量子优越性的国家。2023 年,潘建伟院士团队及合作者又成功构建了 255 个光子的量子计算机原型机“九章三号”,在求解特定数学问题时,比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍,比“九章二号”速度提升了一百万倍。

可以说,中国在量子计算领域已处于国际领先地位。

“超纯硅”具体是怎么回事?

硅是一种常见的半导体材料,广泛应用于现代电子技术中。硅基量子计算是量子计算领域的一个重要分支,它利用硅材料的特性来实现量子比特的存储和操作。具体来说,在硅基量子计算中,硅中的电子可以被限制在微小的区域内,形成所谓的量子点。这些量子点可以作为量子比特,用于存储和处理量子信息。

硅基量子计算具有许多潜在的优势,包括与现有半导体工艺的兼容性(指的是其绝大多数工艺与传统的半导体工艺兼容,易于和半导体行业对接)、较长的相干时间(指的是量子比特保持其量子特性的时间)以及可扩展性(增加量子比特数目,以实现大规模量子计算),这使得它们更适合于量子计算。

微信图片_20240624162020.jpg

硅量子计算登上《自然》封面 。图片来源:《自然》杂志

在经典计算抑或是量子计算,都需要具有规则晶体结构的高纯度硅,这是因为非晶硅充满悬空键、氧分子和其他杂质,导致其电性能不佳。

然而,从自然界中直接提取的硅存在一个不可忽视的问题,即它包含三种稳定的同位素:硅-28(28Si)、硅-29(29Si)和硅-30(30Si)。其中,硅-29 约占硅的 4.68% ,其原子核携带非零核自旋,会通过偶极相互作用对用于编码量子比特的电子自旋造成干扰。而硅-30 仅占硅的 3.09% ,含量少且电子自旋与核自旋之间的相互作用较大。这使得只有硅-28 被认为是较为理想且纯净的量子计算材料。因此,尽可能减少硅-29 和硅-30 的影响是提升量子计算性能的关键。

为了解决这一问题,研究团队利用聚焦离子束技术,从一种名叫 P-NAME 聚焦离子束系统中将一束聚焦且高速的纯硅-28 离子射向硅片,通过植入硅-28 来消耗自然硅中的硅-29 ,从而将硅-29 的比例从 4.68% 最高降至0.00023%(2.3ppm),将-30 的比例从3.09%最高降至0.00006%(0.6ppm)。

随后,他们通过两步退火工艺,将植入后的非晶态重新结晶,恢复了硅片的晶体结构。该技术不仅能实现这种极端的硅-28 富集,还避免引入可能干扰量子比特的其他杂质。

微信图片_20240624162046.jpg

聚焦离子束同位素富集 Si-28 原理图(来源:《自然・通讯材料》杂志)

为了验证植入效果,研究者们采用了纳米级二次离子质谱(NanoSIMS)分析(这是一种能够精确测量样品中不同同位素比例的技术)。通过分析发现,研究者们确认了植入区域中硅-29 的残留浓度显著降低,并且没有引入额外的杂质,如碳(C)和氧(O)等。此外,透射电子显微镜(TEM)分析进一步证实了植入体积的非晶态特性以及退火后的单晶相外延再结晶。这些结果表明,通过聚焦离子束技术可以在硅晶片中实现高纯度的硅-28 富集区域,为量子比特的稳定性提供了保障。

这种技术制造的“超纯硅”有望在新材料设计、人工智能、能源存储以及物流制造等领域为整个社会带来革命性变革。该项目的联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森(David Jamieson)教授表示,他们下一步将证明该种材料能够同时维持许多量子比特的量子相干性。

这项杰出的工作不仅向人们展示了科学界在量子材料制备领域的进步,也为量子计算的实用化和规模化铺平了道路。随着量子技术的不断发展,我们有理由相信,量子计算机将在未来几十年内彻底改变我们的世界。

参考文献

[1]量子计算

出处:百度百科、“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目

[2]谷歌论文发布,称实现“量子霸权”!计算200秒相当于最强超算1万年

出处:微信公众号FX168、和讯网

[3]姚期智院士:神秘的量子计算跟经典计算到底有何不同

出处:新浪科技《科学大家》栏目

[4]中国科大实现“九章三号”光量子计算原型机

出处:中国科学技术大学新闻网

[5]硅量子计算机保真度获重大突破,达99%以上

出处:澎湃新闻

[6]Highly 28Si enriched silicon by localized focused ion beam implantation

出处:《自然·通讯材料》官网