科技日?qǐng)?bào)記者?張佳欣
英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院工程師和物理學(xué)家開發(fā)出一種新方法，首次成功在陣列中可靠地定位單個(gè)原子，其接近100%的精度和可擴(kuò)展性可用于制造量子計(jì)算機(jī)，使其達(dá)到幾乎為零的故障率，提高了建造通用量子計(jì)算機(jī)的可能性。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《先進(jìn)材料》雜志上。
泰勒·斯塔克博士將樣品裝入掃描隧道顯微鏡 (STM)，用于執(zhí)行原子級(jí)操作。
圖片來源：倫敦大學(xué)學(xué)院
從理論上講，量子計(jì)算有可能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無法解決的復(fù)雜問題。在通用量子計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建量子門的一種方法是將單個(gè)原子放置在硅中，冷卻到極低溫度以保持其量子性質(zhì)穩(wěn)定，然后用電信號(hào)和磁信號(hào)來操縱它們處理信息，就像操縱傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制晶體管來輸出0或1一樣。
建造量子計(jì)算機(jī)的各種方法正在研發(fā)中，但還沒有一種方法能夠達(dá)到所需的規(guī)模和低錯(cuò)誤率。
在硅晶體中精確定位單個(gè)“雜質(zhì)”原子，從而操縱其量子特性以形成量子比特。這種方法具有低量子比特錯(cuò)誤率，并以可擴(kuò)展的硅微電子技術(shù)為基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)方法使用磷作為雜質(zhì)原子，但由于單個(gè)磷原子的定位成功率僅為70%，因此該系統(tǒng)距建立量子計(jì)算機(jī)所需的近零故障率仍有距離。
在本研究中，研究人員假設(shè)，砷可能是一種比磷更可靠的材料。他們使用一種能夠識(shí)別和操縱單個(gè)原子的顯微鏡，將砷原子精確地插入硅晶體中。然后，他們重復(fù)這一過程，建立了一個(gè)2×2的單砷原子陣列，可以用作量子比特。
研究人員表示，他們能夠以近乎完美的精度將原子放置在硅中，并以一種可以擴(kuò)展的方式放置原子，這是量子計(jì)算領(lǐng)域的一大進(jìn)步。他們首次展示了一種實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)所需精度和規(guī)模的方法。
目前，研究中開發(fā)的方法需要手動(dòng)定位每個(gè)原子，一次一個(gè)，這需要幾分鐘的時(shí)間。理論上，這一過程可無限重復(fù)。但實(shí)際上，為了建造通用量子計(jì)算機(jī)，有必要將這一過程自動(dòng)化和工業(yè)化。這意味著要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)百萬、數(shù)千萬甚至數(shù)十億個(gè)量子比特陣列。該方法需要與當(dāng)前的半導(dǎo)體工藝高度兼容，并在解決一些工程難題后加以集成。
量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，涉及多學(xué)科交叉領(lǐng)域，材料學(xué)便是其中之一。量子計(jì)算機(jī)用什么材料來研制，才能更好地發(fā)揮其潛能？對(duì)此，科研人員仍在不斷嘗試和探索之中。目前，超導(dǎo)材料、光子材料、原子材料等都屬于研制量子計(jì)算機(jī)的候選材料。可以肯定的是，無論采用哪種材料，其核心原則是符合量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行規(guī)律。
