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世界上最纯净的硅芯片可使量子计算机无误差
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发布时间：
2024-07-15
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研究人员开发出一种利用高纯度硅制造量子计算机芯片的新方法，可大幅降低量子计算机的错误率。这是实现大规模量子计算机的重要里程碑。
研究人员开发出一种利用高纯度硅制造量子计算机芯片的新方法，可大幅降低量子计算机的错误率。这是实现大规模量子计算机的重要里程碑。
然而，量子计算技术仍处于早期阶段——它还需要数年时间才能发挥其潜力。科学家要实现这一目标需要克服的主要挑战之一是，目前的量子计算机计算错误率很高。
之所以会出现这些错误，是因为量子比特(量子计算机的基本计算单元)对周围环境的微小变化其敏感。目前，量子比特只能在几分之一秒内无误地保存信息。
Acharya 和他的同事开发的新方法可以显著增加量子比特准确保存信息的时间，降低其错误率，并为大规模制造精确的量子计算机铺平道路。
净化硅微芯片
在这项研究中，科学家使用了磷原子植入硅晶体制成的量子比特。这种量子比特的关键错误来源之一来自容纳和保护量子比特的硅芯片的成分。
自然界中，硅由三种同位素组成——同种元素的原子核中中子数不同。这三种同位素分别是硅-28、硅-29 和硅-30.
虽然自然界中硅-29 同位素仅占硅的 4.7%，但它们却有一个额外的中子，这是造成计算错误的罪魁祸首。
目标是将硅片提纯至仅含有硅-28同位素，这种同位素通常占天然硅的92%左右。研究人员使用一种称为离子束注入的技术，将硅-28离子加速注入市售硅片上，植入硅-28并取代硅-29.
结果是高度纯化的硅-28 芯片，其中硅-29 的存在量低至每百万分之二点三 - 这是迄今为止报告的较低值。
此外，该方法不会导致硅芯片被其他元素(如氧或碳)污染，这是早期研究中的一个问题。
据作者称，一个关键的优势是所使用的方法具有可扩展性和成本效益，并且这种设备——离子注入机——在制造传统计算机微芯片的实验室中已经很常见。
制造无误差的量子计算机
曼彻斯特大学先进电子材料教授理查德·库里表示，这项研究为制造高质量量子比特所需的材料奠定了基础。他估计，这种新方法可以将量子比特无错误保存信息的时间从天然硅中的约一毫秒延长到纯化硅中的约十秒。
下一步将评估高纯度硅芯片对小规模量子比特系统性能的影响。
多量子比特设备将在未来一年左右出现，但通常认为纠错量子计算所需的百万量子比特计算机仍需要几年时间才能实现，但这一天即将到来。
量子计算机仍在开发中，目前有多种方法可以构建量子比特。硅基量子比特(如本研究中使用的量子比特)的主要优势在于，它们使用的材料和技术在制造传统计算机的硅微芯片时已经很常见。
确保我们的方法与未来制造兼容是一个重要的驱动因素，因此我们转向微电子行业常用的离子注入。
这种新方法是硅基量子计算机朝着制造可靠且可扩展的量子计算机的目标迈出的重要里程碑。如果没有我们的研究，硅基量子计算机就不可能与其他量子计算系统竞争。
预计，未来大规模量子计算机将采用多种量子计算方法，可能采用结合不同方法的混合系统。每种方法都有可能找到解决特定类型问题的方法，并且它们将共存。
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