超纯硅或催生新一代量子计算芯片

　　参考消息网5月10日报道 据美国趣味科学网站5月7日报道，科学家们制造出一种强化的、超纯形式的硅，它有朝一日可能成为强大的量子计算机中高度可靠的“硅自旋量子比特”的基础。

　　传统计算机中的二进制位将数据编码成1或0，而量子计算机中的量子比特可以是这两种状态的叠加——这意味着，它们可以实现一种被称为“相干性”的量子状态，并且在处理计算时并行占用1和0。

　　科学家们说，这些机器可能比世界上最快的超级计算机更强大，但需要大约100万个量子比特才能实现这一目标。目前最大的量子计算机大约拥有1000个量子比特。

　　量子计算面临的一个关键挑战是，量子比特是“嘈杂的”。这就意味着，它们很容易受到温度变化等因素的干扰，且需要将温度降到接近绝对零度。否则，它们很容易丢失信息，并在操作中途失败。

　　这意味着，即使我们有一台拥有数百万个量子比特的量子计算机，哪怕用上纠错技术，其中许多量子比特也是多余的，这使得该机器的效率极低。

　　量子比特通常由钽和铌等超导金属制成，因为这些金属具有近乎无限的传导力和近乎无限的阻抗力。

　　但在5月7日发表于英国《自然·通讯-材料》杂志的一篇新研究论文中，研究人员提出用一种新的、纯净形式的硅——用在传统计算机中的半导体材料——作为可扩展性远超现有技术的量子比特的基础。

　　美国量子时代计算公司——一家量子计算企业——表示，用硅、镓或锗等半导体材料制造的量子比特比超导金属量子比特更有优势。用上述半导体材料制造的量子比特的“相干”时间相对较长，制造成本较低，可在较高温度下操作，而且体积极小——这意味着，单个芯片可以容纳大量量子比特。但是，在计算过程中，半导体材料中的杂质会导致“退相干”，这使得它们不可靠。

　　在这项新研究中，科学家们提议用硅-28(Si-28)来制造量子比特。除去天然硅中的杂质后，他们将硅-28描述为“世界上最纯净的硅”。他们说，这些硅基量子比特不太容易发生故障，而且可以被制造成针头大小。

　　天然硅通常由三种同位素组成，它们是硅-28、硅-29和硅-30。

　　由于天然硅具有类金属性质，它在传统计算中表现良好，但在量子计算中使用它会出现问题。

　　特别是在天然硅中占到5%的硅-29，它会导致“退相干”和信息丢失。在这项研究中，科学家们通过开发一种新的方法来设计不含硅-29和硅-30原子的硅，从而解决了这个问题。

　　“我们所能做的就是，有效地制造出构建硅基量子计算机所需的关键‘砖块’，”该研究论文的主要作者、英国曼彻斯特大学研究高级电子材料的教授理查德·柯里在一份声明中说，“这是使一项有可能改变人类的技术成为可能的关键一步。”

　　科学家们说，理论上，可以用制作传统电子芯片的方法来制作硅基量子计算机的组件。就传统电子芯片而言，可以在一块微小的电路板上安装数十亿个晶体管。他们还说，硅量子比特或硅自旋量子比特并不是什么新鲜事，但硅的品质从未这样纯净过，这一点是通过显微镜测试确定的。

　　考虑到现有的芯片制造方法，制造硅基量子比特也比制造其他种类的量子比特要容易得多。因此，研究人员说，使用硅基量子比特的量子计算机可以比竞争对手更快地扩展到百万量子比特量级。

　　澳大利亚墨尔本大学物理学教授、该研究项目联合主管戴维·贾米森在声明中说：“现在我们可以生产出极纯的硅-28。我们的下一步将是，证明我们可以让许多量子比特同时保持量子相干性。一台仅拥有30个量子比特、可靠的量子计算机在某些应用上能超过当今超级计算机的能力。”（编译/龙君）