量子突破？硅可以成為擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)的答案？

來(lái)源：半導(dǎo)體芯科技編譯

時(shí)至今日，歷史再次重演，這一次是在量子計(jì)算領(lǐng)域。

在“核物理奠基人”"歐內(nèi)斯特-盧瑟福（Ernest Rutherford）所創(chuàng)立的開(kāi)創(chuàng)性方法基礎(chǔ)之上，該大學(xué)的科學(xué)家與澳大利亞墨爾本大學(xué)合作，生產(chǎn)出了一種增強(qiáng)型超純硅，可用于制造高性能量子比特設(shè)備——這是為可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)鋪平道路所需的基本組件。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《通訊材料》（Communications Materials - Nature）雜志上，它可以定義和推動(dòng)量子計(jì)算的未來(lái)。

曼徹斯特大學(xué)先進(jìn)電子材料學(xué)教授理查德-庫(kù)里（Richard Curry）說(shuō)：“我們所能做的就是有效地創(chuàng)造出構(gòu)建硅基量子計(jì)算機(jī)所需的關(guān)鍵'磚塊'。這可能是使人類技術(shù)變革可行的關(guān)鍵一步；這項(xiàng)技術(shù)可以賦予我們大規(guī)模處理數(shù)據(jù)的能力，使我們能夠找到解決復(fù)雜問(wèn)題的方案，如應(yīng)對(duì)氣候變化的影響和解決醫(yī)療保健方面的挑戰(zhàn)?！?/p>

曼徹斯特大學(xué)一直處于科學(xué)創(chuàng)新的前沿，包括 1917 年盧瑟福的 “分裂原子”發(fā)現(xiàn)；1948 年第一次在現(xiàn)實(shí)生活中展示電子存儲(chǔ)程序計(jì)算，以及現(xiàn)在向量子計(jì)算邁出的這一步。

克服挑戰(zhàn)

開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)的最大挑戰(zhàn)之一是量子比特，它是量子計(jì)算的構(gòu)件，且具有高度敏感性，需要一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境來(lái)保持它們所保存的信息。即使環(huán)境發(fā)生微小變化，包括溫度波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)出錯(cuò)。

另一個(gè)問(wèn)題是它們的規(guī)模，包括物理尺寸和處理能力。10 個(gè)量子比特的處理能力與普通計(jì)算機(jī)中的 1,024 個(gè)比特相同，而且所占體積可能更小?？茖W(xué)家們認(rèn)為，一臺(tái)性能完好的量子計(jì)算機(jī)需要約 100 萬(wàn)個(gè)量子比特，這提供了任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的能力。

硅，因其半導(dǎo)體特性，而成為經(jīng)典計(jì)算的基礎(chǔ)材料，研究人員認(rèn)為硅可以成為擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)的答案。在過(guò)去的 60 年里，科學(xué)家們一直在學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)硅，使其發(fā)揮最大性能，但在量子計(jì)算中，硅也面臨著挑戰(zhàn)。

天然硅由三種不同質(zhì)量的同位素：硅-28、硅-29和硅-30。然而，Si-29約占硅的5%，它會(huì)產(chǎn)生"核觸發(fā)"效應(yīng)，導(dǎo)致量子比特丟失信息。

曼徹斯特大學(xué)（University of Manchester）的科學(xué)家們?nèi)〉昧艘豁?xiàng)突破性進(jìn)展，他們提出了一種方法來(lái)設(shè)計(jì)硅，即去除硅-29和硅-30同位素，使其成為大規(guī)模、高精度制造量子計(jì)算機(jī)的完美材料。

這是世界上最純凈的硅——它為制造一百萬(wàn)個(gè)量子比特提供了途徑，這些量子比特可以被制造成針頭大小。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的博士研究員Ravi Acharya解釋說(shuō)："硅量子計(jì)算的最大優(yōu)勢(shì)在于，目前日常計(jì)算機(jī)中的電子芯片由數(shù)十億個(gè)晶體管組成，而制造這些電子芯片的技術(shù)同樣可以用于制造硅量子設(shè)備的量子比特。迄今為止，制造高質(zhì)量硅量子比特的能力部分受限于所用硅起始材料的純度。我們?cè)谶@里展示的突破性純度解決了這一問(wèn)題。

這項(xiàng)新技術(shù)為實(shí)現(xiàn)具有無(wú)與倫比的性能和功能的可擴(kuò)展量子設(shè)備提供了路線圖。

項(xiàng)目聯(lián)合導(dǎo)師、墨爾本大學(xué)的戴維-賈米森（David Jamieson）教授說(shuō)：“我們的技術(shù)開(kāi)辟了通往可靠量子計(jì)算機(jī)的道路，有望在人工智能、安全數(shù)據(jù)和通信、疫苗和藥物設(shè)計(jì)以及能源利用、物流和制造等領(lǐng)域?yàn)檎麄€(gè)社會(huì)帶來(lái)變革?！?/p>

“既然我們能夠生產(chǎn)出極純的硅-28，我們的下一步將是證明我們能夠同時(shí)維持許多量子比特的量子相干性。對(duì)于某些應(yīng)用，一臺(tái)僅有 30 個(gè)量子比特的可靠量子計(jì)算機(jī)的性能將超過(guò)當(dāng)今的超級(jí)計(jì)算機(jī)?！?/p>

什么是量子計(jì)算及其工作原理？

所有計(jì)算機(jī)都利用電子運(yùn)行。電子除了帶有負(fù)電荷外，還具有另一種被稱為 "自旋 "的特性，這種特性通常被比作旋轉(zhuǎn)的陀螺。

計(jì)算機(jī)內(nèi)存中電子的自旋可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的方向可以用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)代碼，其中一個(gè)方向稱為 "0"，另一個(gè)方向稱為 "1"。這樣，我們就可以使用一種只使用 0 和 1 向計(jì)算機(jī)發(fā)出指令的數(shù)字系統(tǒng)。每個(gè) 0 或 1 稱為一個(gè)比特。

在量子計(jì)算機(jī)中，我們可以使用單個(gè)電子的自旋，而不是數(shù)百萬(wàn)個(gè)電子自旋的綜合效應(yīng)，從而從 "經(jīng)典 "世界進(jìn)入 "量子 "世界；從使用 "比特 "進(jìn)入 "量子比特"。

雖然經(jīng)典計(jì)算機(jī)會(huì)進(jìn)行一個(gè)又一個(gè)計(jì)算，但量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行所有計(jì)算，從而以無(wú)與倫比的速度處理大量信息并進(jìn)行非常復(fù)雜的計(jì)算。

雖然量子計(jì)算仍處于早期階段，但一旦得到充分發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)將被用于解決現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜問(wèn)題，如藥物設(shè)計(jì)、更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，而這些計(jì)算對(duì)于今天的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)太難了。

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審核編輯 黃宇