2024 年 5 月 7 日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和澳大利亞墨爾本大學(xué)的研究人員在《自然·通訊材料》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究。
他們利用聚焦離子束（FIB）技術(shù)制造出了一種高度富集 28Si 的“超純硅”。這一發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建具有可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)的高性能量子比特設(shè)備提供了新的途徑，從而為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的量子計(jì)算平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。
（來(lái)源:《自然?通訊材料》官網(wǎng)截圖）
盡管量子計(jì)算領(lǐng)域的研究成果往往晦澀難懂，但量子計(jì)算機(jī)和量子這個(gè)概念卻在生活中頻繁出現(xiàn)（比如名梗：遇事不決量子力學(xué)）。
那么，量子計(jì)算究竟是什么？量子計(jì)算機(jī)真的可能實(shí)現(xiàn)嗎？有沒(méi)有可能用生活中的概念去嘗試?yán)斫馑鼈儯繛榱俗尨蠹覍?duì)量子計(jì)算有一個(gè)初步的了解，我們這里盡可能地以通俗化、具象化的語(yǔ)言來(lái)跟大家聊聊量子計(jì)算的那些三五事兒。
量子計(jì)算（機(jī)）究竟是解決什么問(wèn)題的？
與經(jīng)典計(jì)算不同，量子計(jì)算遵循量子力學(xué)規(guī)律，它是能突破經(jīng)典算力瓶頸的新型計(jì)算模式。量子計(jì)算機(jī)以量子比特為基本運(yùn)算單元，所謂的量子比特，是與經(jīng)典比特作為區(qū)分。
量子計(jì)算的發(fā)展歷程（來(lái)源：國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司 IBM）
以上句子看起來(lái)很難理解，我們這里逐句拆解進(jìn)行講述。
量子計(jì)算，看到對(duì)于這種冠有“量子”title 的名詞，我們很難不將其與量子力學(xué)聯(lián)系起來(lái)。自然而然，這種基于量子力學(xué)原理的計(jì)算方式與傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算有著本質(zhì)的不同。
具體來(lái)說(shuō)，在經(jīng)典計(jì)算中，信息是通過(guò)二進(jìn)制數(shù)字（bits）來(lái)表示的，這種二進(jìn)制數(shù)字或?yàn)?0 或?yàn)?1，類似一個(gè)只有開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)的“開關(guān)”。
然而，量子計(jì)算打破了這一傳統(tǒng)，信息是通過(guò)另一種方式即量子比特（qubits）來(lái)表示的，這種量子比特可以同時(shí)處于 0 和 1 的狀態(tài)，也就是一種疊加態(tài)（這里可以參考薛定諤老先生那只既死又活的神奇貓咪）。
除此之外，量子比特之間還可以存在某種特殊的關(guān)聯(lián)，稱為量子糾纏，這更類似一個(gè)可以處于多個(gè)狀態(tài)的“開關(guān)旋鈕”。
經(jīng)典信息（左）與量子信息（右）（來(lái)源：本源量子）
憑借其獨(dú)特的特性，量子計(jì)算機(jī)便能夠利用量子比特進(jìn)行計(jì)算，并且計(jì)算能力可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)爆炸式增長(zhǎng)（這是因?yàn)?r 個(gè)量子比特可以承載 2r 個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)，從而在每次計(jì)算中實(shí)現(xiàn) 2r 倍的計(jì)算量。相比之下，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要 2r 個(gè)經(jīng)典比特才能實(shí)現(xiàn)同樣的算力）。
因此量子比特在計(jì)算某些特定數(shù)學(xué)問(wèn)題方面更勝一籌，這就意味著量子計(jì)算機(jī)可以縱橫并重塑各個(gè)領(lǐng)域，突破目前阻礙任何涉及量子力學(xué)的極限。
量子計(jì)算機(jī)是否可以實(shí)現(xiàn)？
要想實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，目前主流的技術(shù)路線包括超導(dǎo)、離子阱、半導(dǎo)體、光學(xué)、量子拓?fù)涞龋ㄆ渲?，超?dǎo)和離子阱的發(fā)展為迅速）。目前來(lái)看，每種技術(shù)路線都有其優(yōu)缺點(diǎn)，尚未有哪種路線能夠完全滿足實(shí)用化的要求。
實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的主要技術(shù)路線（來(lái)源：《2023 全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望》）
量子計(jì)算機(jī)利用量子比代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制比特，通過(guò)量子疊加和量子糾纏實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的飛躍。
量子計(jì)算機(jī)的概念早可以追溯到 20 世紀(jì) 80 年代，美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）提出了利用量子系統(tǒng)模擬其他量子系統(tǒng)的想法。
1994 年，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家彼得·秀爾（Peter Shor）提出了一個(gè)量子算法，能夠高效地分解大數(shù)，這一算法展示了量子計(jì)算機(jī)在解決特定問(wèn)題上具有潛在優(yōu)勢(shì)。
量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程 （來(lái)源：日經(jīng)中文網(wǎng)）
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，量子計(jì)算機(jī)的研制已成為全球科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）、谷歌（Google）、英特爾（Intel）等國(guó)際知名科技公司以及多所大學(xué)都在量子計(jì)算領(lǐng)域投入了大量資源。
2019 年，美國(guó)谷歌公司研制出 53 個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，在全球首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，他們宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”（量子處理器在特定任務(wù)上的表現(xiàn)超過(guò)了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)）。
值得注意的是，中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域也取得了重大進(jìn)展。
2020 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 76 個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，使中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國(guó)家。
2021 年，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)及合作者成功研制了 113 個(gè)光子的“九章二號(hào)”和 66 比特的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)，使中國(guó)成為在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線上都實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國(guó)家。
2023 年，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)及合作者又成功構(gòu)建了 255 個(gè)光子的量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)“九章三號(hào)”，在求解特定數(shù)學(xué)問(wèn)題時(shí)，比目前全球快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍，比“九章二號(hào)”速度提升了一百萬(wàn)倍。
可以說(shuō)，中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。
“超純硅”具體是怎么回事？
硅是一種常見的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子技術(shù)中。硅基量子計(jì)算是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它利用硅材料的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)量子比特的存儲(chǔ)和操作。具體來(lái)說(shuō)，在硅基量子計(jì)算中，硅中的電子可以被限制在微小的區(qū)域內(nèi)，形成所謂的量子點(diǎn)。這些量子點(diǎn)可以作為量子比特，用于存儲(chǔ)和處理量子信息。
硅基量子計(jì)算具有許多潛在的優(yōu)勢(shì)，包括與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的兼容性（指的是其絕大多數(shù)工藝與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝兼容，易于和半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)接）、較長(zhǎng)的相干時(shí)間（指的是量子比特保持其量子特性的時(shí)間）以及可擴(kuò)展性（增加量子比特?cái)?shù)目，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算），這使得它們更適合于量子計(jì)算。
硅量子計(jì)算登上《自然》封面 。圖片來(lái)源：《自然》雜志
在經(jīng)典計(jì)算抑或是量子計(jì)算，都需要具有規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的高純度硅，這是因?yàn)榉蔷Ч璩錆M懸空鍵、氧分子和其他雜質(zhì)，導(dǎo)致其電性能不佳。
然而，從自然界中直接提取的硅存在一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，即它包含三種穩(wěn)定的同位素：硅-28（28Si）、硅-29（29Si）和硅-30（30Si）。其中，硅-29 約占硅的 4.68% ，其原子核攜帶非零核自旋，會(huì)通過(guò)偶極相互作用對(duì)用于編碼量子比特的電子自旋造成干擾。
而硅-30 僅占硅的 3.09% ，含量少且電子自旋與核自旋之間的相互作用較大。這使得只有硅-28 被認(rèn)為是較為理想且純凈的量子計(jì)算材料。因此，盡可能減少硅-29 和硅-30 的影響是提升量子計(jì)算性能的關(guān)鍵。
為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)利用聚焦離子束技術(shù)，從一種名叫 P-NAME 聚焦離子束系統(tǒng)中將一束聚焦且高速的純硅-28 離子射向硅片，通過(guò)植入硅-28 來(lái)消耗自然硅中的硅-29 ，從而將硅-29 的比例從 4.68% 高降至0.00023%（2.3ppm），將-30 的比例從3.09%高降至0.00006%（0.6ppm）。
隨后，他們通過(guò)兩步退火工藝，將植入后的非晶態(tài)重新結(jié)晶，恢復(fù)了硅片的晶體結(jié)構(gòu)。該技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)這種極端的硅-28 富集，還避免引入可能干擾量子比特的其他雜質(zhì)。
聚焦離子束同位素富集 Si-28 原理圖（來(lái)源：《自然·通訊材料》雜志）
為了驗(yàn)證植入效果，研究者們采用了納米級(jí)二次離子質(zhì)譜（NanoSIMS）分析（這是一種能夠精確測(cè)量樣品中不同同位素比例的技術(shù)）。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，研究者們確認(rèn)了植入?yún)^(qū)域中硅-29 的殘留濃度顯著降低，并且沒(méi)有引入額外的雜質(zhì)，如碳（C）和氧（O）等。
此外，透射電子顯微鏡（TEM）分析進(jìn)一步證實(shí)了植入體積的非晶態(tài)特性以及退火后的單晶相外延再結(jié)晶。這些結(jié)果表明，通過(guò)聚焦離子束技術(shù)可以在硅晶片中實(shí)現(xiàn)高純度的硅-28 富集區(qū)域，為量子比特的穩(wěn)定性提供了保障。
這種技術(shù)制造的“超純硅”有望在新材料設(shè)計(jì)、人工智能、能源存儲(chǔ)以及物流制造等領(lǐng)域?yàn)檎麄€(gè)社會(huì)帶來(lái)革命性變革。該項(xiàng)目的聯(lián)合導(dǎo)師、墨爾本大學(xué)的戴維-賈米森（David Jamieson）教授表示，他們下一步將證明該種材料能夠同時(shí)維持許多量子比特的量子相干性。
“悟源”系列超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)（來(lái)源：本源量子）
這項(xiàng)杰出的工作不僅向人們展示了科學(xué)界在量子材料制備領(lǐng)域的進(jìn)步，也為量子計(jì)算的實(shí)用化和規(guī)?；伷搅说缆?。隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信，量子計(jì)算機(jī)將在未來(lái)幾十年內(nèi)徹底改變我們的世界。
參考文獻(xiàn)
[1]量子計(jì)算
出處：百度百科、“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
[2]谷歌論文發(fā)布，稱實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”！計(jì)算200秒相當(dāng)于強(qiáng)超算1萬(wàn)年
出處：微信公眾號(hào)FX168、和訊網(wǎng)
[3]姚期智院士：神秘的量子計(jì)算跟經(jīng)典計(jì)算到底有何不同
出處：新浪科技《科學(xué)大家》欄目
[4]中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)“九章三號(hào)”光量子計(jì)算原型機(jī)
出處：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞網(wǎng)
[5]硅量子計(jì)算機(jī)保真度獲重大突破，達(dá)99%以上
出處：澎湃新聞
[6]Highly 28Si enriched silicon by localized focused ion beam implantation
出處：《自然·通訊材料》官網(wǎng)
本文鏈接：http://morphism.cn/news4682.html科學(xué)家制成“世界上純凈的硅” 量子計(jì)算機(jī)真的要來(lái)了嗎
