量子突破？硅可以成为扩展量子计算机的答案？

来源：半导体芯科技编译

时至今日，历史再次重演，这一次是在量子计算领域。

在“核物理奠基人”"欧内斯特-卢瑟福（Ernest Rutherford）所创立的开创性方法基础之上，该大学的科学家与澳大利亚墨尔本大学合作，生产出了一种增强型超纯硅，可用于制造高性能量子比特设备——这是为可扩展量子计算机铺平道路所需的基本组件。

这一发现发表在《通讯材料》（Communications Materials - Nature）杂志上，它可以定义和推动量子计算的未来。

曼彻斯特大学先进电子材料学教授理查德-库里（Richard Curry）说：“我们所能做的就是有效地创造出构建硅基量子计算机所需的关键'砖块'。这可能是使人类技术变革可行的关键一步；这项技术可以赋予我们大规模处理数据的能力，使我们能够找到解决复杂问题的方案，如应对气候变化的影响和解决医疗保健方面的挑战。”

曼彻斯特大学一直处于科学创新的前沿，包括 1917 年卢瑟福的 “分裂原子”发现；1948 年第一次在现实生活中展示电子存储程序计算，以及现在向量子计算迈出的这一步。

克服挑战

开发量子计算机的最大挑战之一是量子比特，它是量子计算的构件，且具有高度敏感性，需要一个稳定的环境来保持它们所保存的信息。即使环境发生微小变化，包括温度波动，也会导致计算机出错。

另一个问题是它们的规模，包括物理尺寸和处理能力。10 个量子比特的处理能力与普通计算机中的 1,024 个比特相同，而且所占体积可能更小。科学家们认为，一台性能完好的量子计算机需要约 100 万个量子比特，这提供了任何经典计算机都无法实现的能力。

硅，因其半导体特性，而成为经典计算的基础材料，研究人员认为硅可以成为扩展量子计算机的答案。在过去的 60 年里，科学家们一直在学习如何设计硅，使其发挥最大性能，但在量子计算中，硅也面临着挑战。

天然硅由三种不同质量的同位素：硅-28、硅-29和硅-30。然而，Si-29约占硅的5%，它会产生"核触发"效应，导致量子比特丢失信息。

曼彻斯特大学（University of Manchester）的科学家们取得了一项突破性进展，他们提出了一种方法来设计硅，即去除硅-29和硅-30同位素，使其成为大规模、高精度制造量子计算机的完美材料。

这是世界上最纯净的硅——它为制造一百万个量子比特提供了途径，这些量子比特可以被制造成针头大小。

领导该项目的博士研究员Ravi Acharya解释说："硅量子计算的最大优势在于，目前日常计算机中的电子芯片由数十亿个晶体管组成，而制造这些电子芯片的技术同样可以用于制造硅量子设备的量子比特。迄今为止，制造高质量硅量子比特的能力部分受限于所用硅起始材料的纯度。我们在这里展示的突破性纯度解决了这一问题。

这项新技术为实现具有无与伦比的性能和功能的可扩展量子设备提供了路线图。

项目联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森（David Jamieson）教授说：“我们的技术开辟了通往可靠量子计算机的道路，有望在人工智能、安全数据和通信、疫苗和药物设计以及能源利用、物流和制造等领域为整个社会带来变革。”

“既然我们能够生产出极纯的硅-28，我们的下一步将是证明我们能够同时维持许多量子比特的量子相干性。对于某些应用，一台仅有 30 个量子比特的可靠量子计算机的性能将超过当今的超级计算机。”

什么是量子计算及其工作原理？

所有计算机都利用电子运行。电子除了带有负电荷外，还具有另一种被称为 "自旋 "的特性，这种特性通常被比作旋转的陀螺。

计算机内存中电子的自旋可以产生磁场。这个磁场的方向可以用来创建一个代码，其中一个方向称为 "0"，另一个方向称为 "1"。这样，我们就可以使用一种只使用 0 和 1 向计算机发出指令的数字系统。每个 0 或 1 称为一个比特。

在量子计算机中，我们可以使用单个电子的自旋，而不是数百万个电子自旋的综合效应，从而从 "经典 "世界进入 "量子 "世界；从使用 "比特 "进入 "量子比特"。

虽然经典计算机会进行一个又一个计算，但量子计算机可以同时进行所有计算，从而以无与伦比的速度处理大量信息并进行非常复杂的计算。

虽然量子计算仍处于早期阶段，但一旦得到充分发展，量子计算机将被用于解决现实世界中的复杂问题，如药物设计、更准确的天气预报，而这些计算对于今天的超级计算机来说太难了。

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审核编辑 黄宇