澳大利亚新南威尔士大学实现了全球首个原子级三维硅量子芯片架构

导读

近日，澳大利亚新南威尔士大学采用单原子技术构建出三维硅量子芯片，并实现精准的层间对齐与自旋状态测量。这项研究被认为是朝着构建大规模、可商用的量子计算机的目标迈出的重要一步。

背景

时下，全球正掀起一阵研究量子计算机的热潮。从理论上说，世界上最强大的经典计算机要花费漫长时间才能解决的复杂计算问题，对于量子计算机来说，解决起来显得很轻松。据称，量子计算机有着比经典计算机解决问题快百万倍的速度。

在经典计算机中，表示信息采用的是“比特位（0或1）”；在量子计算机中，表示信息采用是“量子位”。不同于比特位，量子位通过量子物理中两个“幽灵般”的原理：“纠缠”与“叠加”，产生出令人惊讶的计算处理能力。简单说，量子位是一个双态量子系统（例如光子偏振态或者电子自旋态），它能处于一种用经典物理无法解释的奇妙状态：“0与1的叠加”。

这种奇妙状态的最好解释莫过于量子理论的一个思想实验：薛定谔的猫。如下图所示：一只猫被封闭在一个密室中，密室中有一瓶毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，则猫必死无疑。

（图片来源：维基百科）

可是，原子核的衰变是随机事件。也就是说，物理学家无法知道，它在什么时候衰变。如果我们不揭开密室的盖子，根据日常经验可以认定的是：“猫或者死或者活”。“死”与“活”成为了猫的两种本征态。那么，用薛定谔方程来描述这只猫，只能说它处于一种”死“与”活“的叠加态。只有在揭开盖子的一瞬间，我们通过“观测”才能确切地知道猫是死是活。此时，猫构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。

与“薛定谔的猫”类似，量子位处于0和1的叠加态。在某个时刻，经典的比特位只能表示0和1其中的一个；而量子位可以同时表示两个。也就是说，当我们要读出这两个值时，量子位一次就可以完成，而比特位需要顺序执行两次。依此类推，当量子位的个数继续增加时，量子计算机的计算能力会曾指数方式增长。

目前，全球范围内正在开发中的主要量子计算方案至少有五个：硅自旋量子位、超导量子位、离子阱、钻石空位、拓扑量子位。在之前的文章中，笔者已对相关研究作过一些介绍。然而，今天要重点关注的是：硅自旋量子位。原因很简单，硅是全球半导体产业所普遍采用的核心材料。对于硅自旋量子位的研究，有助于我们通往可简单制造并大规模量产的量子位，最终实现可商用的量子计算机。

澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的科研团队在这方面取得过许多进展。例如，2017年12月，研究人员们通过重新构思常用的“硅”微处理器，设计出全球首款硅量子计算机芯片，这种芯片可通过标准的工艺和元件进行制造。

（图片来源：Tony Melov/UNSW）

创新

近日，新南威尔士大学的研究人员们又取得了新进展。他们的研究表明，他们开创的单原子技术可适用于构建三维硅量子芯片，并实现精准的层间对齐与自旋状态测量。这种三维架构被认为是构建大规模量子计算机的蓝图中重要的一步。

新南威尔士大学的研究人员们在澳大利亚著名的量子计算和通信技术卓越中心（CQC2T）首次表明，他们能在三维器件中构建出原子级精度的量子位，朝着通用量子计算机的目标又迈出了重要的一步。

2018年度杰出澳大利亚人、CQC2T 主任 Michelle Simmons 教授表示，他们能够拓展原子级量子位制造技术，使之应用于多层硅晶体，从而实现了他们2015年发明的三维芯片架构中一个关键元件。这项新研究于1月7日发表在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上。

论文作者Joris Keizer 博士与Michelle Simmons 教授（图片来源：UNSW）

技术

2015年，新南威尔士大学的研究人员们设计出一种基于单原子量子位的三维硅芯片架构，这种芯片架构兼容原子级制造技术。在概念设计中，他们从沿着一条线排列成一维量子位阵列，发展成位于同一平面上的二维量子位阵列，而二维阵列的纠错能力更强。

（图片来源：UNSW）

在三维架构中，量子位层像三明治一般夹在两个“线网”层之间。向其中的一些线施加电压，可并行控制多个量子位，达到以较少的控制来进行一系列运算的目的。重点在于，他们实现了二维”表面代码（surface code）“纠错协议。通过这一纠错协议，计算中存在的任何潜在错误都能得到及时纠正。

（图片来源：UNSW）

在近期的研究中，该研究小组首先论证了这种架构的可行性。在这种三维设计内部，该架构采用与控制线对齐的原子级量子位，而控制线其实就是非常细的线。此外，团队也在三维器件中以纳米精度对齐不同的层，并展示了一次读出多个量子状态，也就是说，一次测量达到非常高的保真度。

（图片来源：UNSW）

Simmons 教授表示：“对于原子级的硅量子位来说，这种三维器件架构是一个显著的进展。为了能持续纠正量子计算中的错误（我们的领域中一个非常重要的里程碑），你必须能并行地控制许多个量子位。”

“实现这一点的唯一方法就是采用三维架构，因此在2015年，我们开发出一个垂直交叉的架构，并申请了专利。然而，这种多层器件的制造还面临着一系列的相关挑战。现在，我们通过这一成果可以说明，像我们几年前展望的那样，我们的方案设计可以设计成三维的。”

在这篇论文中，团队论证了如何去构建量子位的第二个控制平面，或者说，位于第一层之上的那一层。CQC2T 研究员、论文合著者之一的 Joris Keizer 表示：“这是高度复杂的工艺，但是简单来说，我们构建了第一个平面，然后优化了一项技术来生长第二层，且不影响第一层中的结构。”

“过去，批评者们会说，这是不可能的，因为第二层的表面变得非常粗糙，你无法在使用我们的精准技术。然而出乎意料的是，在这篇论文中，我们说明了我们可以做到。” 团队也表明了，他们然后能以纳米精度对齐这些多层结构。

Keizer 博士说：“如果你在第一个硅层上写一些东西，然后在上面再放置一个硅层，你仍然需要确定你的位置，将两层中的元件对齐。我们展示的技术能够实现5纳米的对齐精度，这是相当奇特的。”

（图片来源：UNSW）

最后，研究人员们能够“单次”测量出三维器件的量子位输出，也就是说，依靠一次精准的测量，而不是必须依靠几百万次实验的平均值。 Keizer 博士解释道：“这将进一步帮助我们更快地扩大规模。”

价值

Simmons 教授表示，这项研究是这一领域的一个重要里程碑。她说：“我们正在系统性地展开工作，朝着让我们走向这项技术最终商业化的大规模架构迈进。”

她总结道：“虽然我们离大规模商用的量子计算机至少还有十年之遥，但 CQC2T 的工作还是处于这一领域的前沿。诸如此类的具体成果，向国际重申了我们在这方面处于强有力的地位。”

关键字

量子计算机、量子位、硅、半导体、芯片

参考资料

【1】https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/quantum-scientists-demonstrate-world-first-3d-atomic-scale-quantum-chip

【2】https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/researchers-design-architecture-quantum-computer-silicon

【3】Matthias Koch, Joris G. Keizer, Prasanna Pakkiam, Daniel Keith, Matthew G. House, Eldad Peretz, Michelle Y. Simmons. Spin read-out in atomic qubits in an all-epitaxial three-dimensional transistor. Nature Nanotechnology, 2019; DOI: 10.1038/s41565-018-0338-1

文章来源: https://www.toutiao.com/group/6644470058393272839/