用提純硅制造更大、更快的量子計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)芯片的硅凈化可以追溯到 1950 年代，雖然該行業(yè)已經(jīng)達(dá)到了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片的可行純度標(biāo)準(zhǔn)，但量子計(jì)算仍然需要更純凈的硅。因此，英國(guó)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出消除破壞硅中微妙量子比特狀態(tài)的同位素的方法。這個(gè)過(guò)程可以使基于硅的量子計(jì)算更加可行和具有成本效益。
硅-28 （28Si）同位素占天然硅的90%以上。但 4.5% 的原硅是29硅，含有一個(gè)額外的中子，它有效地使同位素具有凈核自旋，可以對(duì)硅量子比特的微妙電子自旋態(tài)造成嚴(yán)重破壞。因此，要使量子計(jì)算機(jī)具有最大的相干時(shí)間，從而使計(jì)算機(jī)能夠承受最長(zhǎng)和最復(fù)雜的計(jì)算29應(yīng)盡可能從硅量子比特襯底中去除或提取硅。

“使用可以集成到工業(yè)過(guò)程中的方法獲得更高的純度將立即......[使]這項(xiàng)技術(shù)能夠擴(kuò)展到改變世界的應(yīng)用程序所需的數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特。
—安德烈·薩拉伊瓦（ANDRE SARAIVA），迪拉克

“把自旋想象成一塊微小的磁鐵，”總部位于德克薩斯州奧斯汀的Moore Insights&Strategy的首席分析師Paul Smith-Goodson說(shuō)?！凹兓墓?28沒(méi)有自旋。沒(méi)有自旋的量子比特可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其量子態(tài)。硅的同位素，如硅-29，確實(shí)有自旋。自旋產(chǎn)生足夠的磁噪聲來(lái)干擾量子比特的量子態(tài)并使其坍縮。
總部位于悉尼的量子計(jì)算初創(chuàng)公司Diraq的固態(tài)理論負(fù)責(zé)人Andre Saraiva表示，擴(kuò)展?jié)摿赡芎艽??！肮柚械淖孕孔颖忍鼐哂袠O好的保真度，但只有在一些同位素純化之后，”他說(shuō)?！笆褂每梢约傻焦I(yè)流程中的方法獲得更高的純度，將立即為我們提供更好的一致性和更輕松的操作，使該技術(shù)能夠擴(kuò)展到改變世界的應(yīng)用所需的數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特。”

雖然已經(jīng)做出了一些努力來(lái)減少29硅晶圓中的硅，它們?nèi)〉昧擞邢薜某晒Α?lái)自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和澳大利亞墨爾本大學(xué)的一組研究人員提出了一種新的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。他們沒(méi)有嘗試純化整個(gè)硅晶圓，而是選擇減少29僅量子比特將使用的區(qū)域的 Si 含量。
標(biāo)有 Nat Si 的灰色矩形的插圖，有 7 個(gè)藍(lán)色和金色矩形標(biāo)有控制芯片，28、29 和 30 Si 的彩色點(diǎn)落入稱為富集區(qū)域的部分，然后是一個(gè)標(biāo)有 29Si 的紅色矩形，10 ppm。在一種新的純化技術(shù)中，聚焦的硅-28離子束撞擊天然硅晶圓，迫使不需要的硅-29同位素，該技術(shù)可用于使硅晶圓更適合容納精密的自旋量子比特。 自然通訊資料
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們將晶圓置于真空中，并用聚焦的離子束轟擊目標(biāo)區(qū)域28硅原子。當(dāng)光束撞擊晶圓時(shí)，它會(huì)置換現(xiàn)有的硅原子，取而代之的是28硅同位素。他們使用了一種產(chǎn)生直徑約為500納米的光束的裝置。該光束在邊長(zhǎng) 22 微米的方形目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行光柵掃描。研究人員說(shuō)，這足以容納一個(gè)12,000量子比特陣列。然后，晶圓經(jīng)過(guò)兩步退火工藝，將輻照材料返回到晶相。
研究人員設(shè)法生產(chǎn)出低于百萬(wàn)分之三的樣品29Si—約1/10,00029硅雜質(zhì)比天然硅中存在的雜質(zhì)。
通過(guò)僅處理目標(biāo)區(qū)域，該過(guò)程比其他試圖物理分離同位素的過(guò)程（例如通過(guò)離心機(jī)）更有效和可擴(kuò)展。離子束富集工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不會(huì)將其他污染物引入硅晶圓中。其他程序可能會(huì)在富集過(guò)程中引入額外的碳和氧。
曼徹斯特大學(xué)先進(jìn)電子材料教授理查德·庫(kù)里（Richard Curry）表示，研究團(tuán)隊(duì)希望開發(fā)一種“可擴(kuò)展且與標(biāo)準(zhǔn)硅器件加工兼容”的技術(shù)?！斑@使得它在未來(lái)的硅基量子技術(shù)制造中得以采用。