科学探索|研究人员介绍原子级低成本硅量子计算芯片设计方案研究人员介绍原子级低成本硅

墨尔本大学带领的一支研究团队，刚刚完善了一项可低成本构建量子计算机的新技术理论，并希望借此来打造一套规模异常庞大的量子设备。据悉，该技术利用了原子力显微镜的高精度特性。它具有一个可“接触”芯片表面的尖锐悬臂，定位精度可达半纳米，与硅晶体中的原子间距大致相同。

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（图自：University of Melbourne）
通过在悬臂上钻一个小孔、将原子依次嵌入硅晶片中，当其被磷原子簇射时，偶尔就会从孔中掉落、并嵌入硅基板中。
研究发现，当原子进入硅晶体、并通过摩擦耗散其能量时，原子的动能可被利用来产生微小的电子“咔哒”声。

Building a Silicon Quantum Computer Chip Atom by Atom（via）
研究合著者、来自墨尔本大学的 David Jamieson 教授指出，当原子落入原型设备的 1/10000 位置时，他们可以“听到”电子的“咔哒”声。

一个原子与一块硅碰撞，会发出非常微弱的咔哒声，而我们发明了用于检测这一声音的非常灵敏的电子设备。它可以将声音放大许多倍，发出响亮而可靠的信号。
在此基础上，我们对新方法抱有相当大的信心。在一个原子刚到之后，我们可以移动悬臂的位置，并静待下一个原子的到来。

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站在纳米模板扫描仪前的 Alexander Melvin Jakob 博士
除了 David Jamieson 教授，合著者中还包括了来自新南威尔士大学悉尼分校、德国 HZDR 研究所、莱布尼茨表面工程研究所（IOM）、以及皇家墨尔本立功大学（RMIT）的研究人员。

其开发出的新技术，已被用于制造受控的大规模计数原子模式，且其量子态能够被操纵、耦合、以及读出。
在此之前，想要在硅中置入原子，一直是个相当随机的过程 —— 像是落在窗户上的雨滴那样、在硅芯片上洒满磷。

不过来自新南威尔士大学的合著者、科学教授 Andrea Morello 指出：

新技术不仅能够将磷离子嵌入硅基板中，并可对其进行精确计数，从而打造出一枚量子比特芯片，并利用它在实验室中测试可用于大型量子设备的相关设计。
这将使得我们能够设计大型单个原子阵列之间的量子逻辑运算，进而在整个处理器中保持高度精确的运算。
与在随机位置植入许多原子、并选择效果最好的原子的方法相比，新技术可将之放置在一个类似传统半导体芯片中的晶体管的有序阵列中。

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研究主要作者 David Jamieson 教授
Alexander Melvin Jakob 博士补充道，他们在新合作中使用了高度专业化的设备：

其中包括为敏感 X 射线探测器而开发的先进技术、最初为罗塞塔太空任务而开发的特殊原子力显微镜、以及德国同僚合作开发的用于植入硅的离子轨迹的综合计算机模型。
我们已同合作伙伴们一道，利用这项技术在单原子量子比特的制造上取得了突破性的成果。但最新的发现，还将加速我们在大型设备上的工作。

【科学探索|研究人员介绍原子级低成本硅量子计算芯片设计方案】至于量子计算机的潜在应用，则涵盖了优化时间表和财务的新方法、牢不可破的密码学、计算药物设计、以及助力疫苗的快速研发等。