逐个原子地构建硅量子计算机芯片通过 公共科学墨尔本大学领导的团队已经完善了一种将单个原子一个接一个嵌入硅晶片的技术。学分：墨尔本大学墨尔本大学领导的一个团队已经完善了一种将单个原子一个接一个嵌入硅晶片的技术。他们的技术提供了使用相同方法制造量子计算机的潜力，这些方法为我们提供了包含数十亿晶体管的廉价且可靠的传统设备。“当每个原子落入原型设备中的 10,000 个位置之一时，我们可以‘听到’电子咔哒声。我们的愿景是使用这种技术来构建一个非常非常大规模的量子设备，”该大学的 David Jamieson 教授说墨尔本的首席作者，描述该过程的先进材料论文的主要作者。

他的合著者来自悉尼新南威尔士大学、Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)、Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM) 和 RMIT Microscopy and Microanalysis Facility。

“我们相信，通过使用我们的方法并利用半导体行业已经完善的制造技术，我们最终可以制造基于单原子量子比特的大型机器，”他说。

到目前为止，在硅中植入原子一直是一个随意的过程，在硅芯片上洒满磷，磷以随机模式植入，就像窗户上的雨滴一样。

“我们将磷离子嵌入到硅基板中，精确地计算每个离子，创建一个量子比特‘芯片’，然后可以在实验室实验中使用它来测试大型设备的设计。”

“这将使我们能够设计大型单个原子阵列之间的量子逻辑运算，在整个处理器中保持高度精确的运算，”新南威尔士大学科学教授安德里亚莫雷洛说，他是该论文的联合作者。“现在不是在随机位置植入许多原子并选择效果最好的原子，而是将它们放置在有序阵列中，类似于传统半导体计算机芯片中的晶体管。”

“我们使用了为敏感 X 射线探测器开发的先进技术和最初为罗塞塔太空任务开发的特殊原子力显微镜，以及与我们在德国的同事合作开发的用于植入硅的离子轨迹的综合计算机模型，”该论文的第一作者、同样来自墨尔本大学的 Alexander (Melvin) Jakob 博士说。这种新技术可以创建受控的大规模计数原子模式，因此可以操纵、耦合和读出它们的量子态。Jamieson 教授和他的同事开发的技术利用了原子力显微镜的精度，它有一个锋利的悬臂，可以轻轻地“接触”芯片表面，定位精度只有半纳米，与硅晶体中原子之间的间距。

研究小组在这个悬臂上钻了一个小孔，这样当它被磷原子簇射时，偶尔会从孔中掉下来并嵌入硅基板中。

然而，关键是准确地知道一个原子——而且不超过一个——何时嵌入基板中。然后悬臂可以移动到阵列上的下一个精确位置。

研究小组发现，当原子进入硅晶体并通过摩擦耗散其能量时，原子的动能可以被利用来产生微小的电子“咔嗒”声。

这就是他们如何知道一个原子已嵌入硅中并移动到下一个精确位置。

“一个原子与一块硅碰撞会发出非常微弱的咔嗒声，但我们发明了用于检测咔嗒声的非常灵敏的电子设备，它被放大了很多，并发出响亮的信号，响亮而可靠的信号，”贾米森教授说。

“这让我们对我们的方法非常有信心。我们可以说，”哦，有一个点击。一个原子刚刚到达。“现在我们可以将悬臂移到下一个位置，等待下一个原子。”

“与我们的中心合作伙伴一起，我们已经在用这种技术制造的单原子量子比特上取得了突破性的成果，但这一新发现将加速我们在大型设备上的工作，”他说。

什么是量子计算，为什么它很重要？

量子计算机通过使用单个原子的不同状态来执行计算，就像传统计算机使用比特（数字信息的最基本单位）一样。

但是，虽然一个比特只有两个可能的值——1 或 0，真或假——但一个量子比特或量子比特可以置于 0 和 1 的叠加状态。成对的量子比特可以置于更奇特的叠加状态，例如为“01加10”，称为纠缠态。添加更多的量子比特会产生指数级增长的纠缠态，这些纠缠态构成了经典计算机中不存在的强大计算机代码。这种指数级的信息密度使量子处理器具有计算优势。

这种基本的量子力学奇异性具有巨大的潜力，可以创造出能够解决某些计算问题的计算机，而传统计算机由于其复杂性而无法解决这些问题。

实际应用包括优化时间表和财务的新方法、牢不可破的密码学和计算药物设计，甚至可能是新疫苗的快速开发。

“如果你想计算咖啡因分子的结构，这是一种对物理学非常重要的分子，你不能用经典计算机来做，因为电子太多了，”贾米森教授说。

“所有这些电子都遵守量子物理学和薛定谔方程。但如果你要计算那个分子的结构，就会有如此多的电子-电子相互作用，即使是当今世界上最强大的超级计算机也做不到。

“量子计算机可以做到这一点，但你需要很多量子比特，因为你必须纠正随机错误并运行非常复杂的计算机代码。”

包含单掺杂原子阵列的硅芯片可以成为利用单施主自旋的经典和量子器件的首选材料。例如，植入同位素纯化的 Si 晶体中的 V 族供体对大型量子计算机具有吸引力。有用的属性包括 P 的长核和电子自旋寿命、Bi 中的超精细时钟跃迁或电可控的 Sb 核自旋。

有前途的架构需要能够以高产率制造单个近表面掺杂剂原子的阵列。在这里，使用具有 70 eV 均方根噪声（≈20 个电子）的片上检测器电极系统来演示单个 14 keV P+ 离子的近室温注入。

离子-固体相互作用的物理模型显示了近表面植入物的前所未有的上限单离子检测置信度为 99.85 ± 0.02%。因此，实际可控硅掺杂产率受到材料工程因素的限制，包括检测离子可能停止的表面栅极氧化物。

对于具有 6 nm 栅极氧化物和 14 keV P+ 注入的器件，证明了 98.1% 的产量极限。较薄的栅极氧化物允许该限制收敛到上限。因此，确定性单离子注入可以成为硅器件中可扩展掺杂剂架构的可行材料工程策略。