全球首個原子級三維硅量子晶元架構亮相！

導讀

近日，澳大利亞新南威爾士大學採用單原子技術構建出三維硅量子晶元，並實現精準的層間對齊與自旋狀態測量。這項研究被認為是朝著構建大規模、可商用的量子計算機的目標邁出的重要一步。

背景

時下，全球正掀起一陣研究量子計算機的熱潮。從理論上說，世界上最強大的經典計算機要花費漫長時間才能解決的複雜計算問題，對於量子計算機來說，解決起來顯得很輕鬆。據稱，量子計算機有著比經典計算機解決問題快百萬倍的速度。

在經典計算機中，表示信息採用的是「比特位（0或1）」；在量子計算機中，表示信息採用是「量子位」。不同於比特位，量子位通過量子物理中兩個「幽靈般」的原理：「糾纏」與「疊加」，產生出令人驚訝的計算處理能力。簡單說，量子位是一個雙態量子系統（例如光子偏振態或者電子自旋態），它能處於一種用經典物理無法解釋的奇妙狀態：「0與1的疊加」。

這種奇妙狀態的最好解釋莫過於量子理論的一個思想實驗：薛定諤的貓。如下圖所示：一隻貓被封閉在一個密室中，密室中有一瓶毒藥。毒藥瓶上有一個鎚子，鎚子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，鎚子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的氰化物氣體，則貓必死無疑。

（圖片來源：維基百科）

可是，原子核的衰變是隨機事件。也就是說，物理學家無法知道，它在什麼時候衰變。如果我們不揭開密室的蓋子，根據日常經驗可以認定的是：「貓或者死或者活」。「死」與「活」成為了貓的兩種本徵態。那麼，用薛定諤方程來描述這隻貓，只能說它處於一種」死「與」活「的疊加態。只有在揭開蓋子的一瞬間，我們通過「觀測」才能確切地知道貓是死是活。此時，貓構成的波函數由疊加態立即收縮到某一個本徵態。

與「薛定諤的貓」類似，量子位處於0和1的疊加態。在某個時刻，經典的比特位只能表示0和1其中的一個；而量子位可以同時表示兩個。也就是說，當我們要讀出這兩個值時，量子位一次就可以完成，而比特位需要順序執行兩次。依此類推，當量子位的個數繼續增加時，量子計算機的計算能力會曾指數方式增長。

目前，全球範圍內正在開發中的主要量子計算方案至少有五個：硅自旋量子位、超導量子位、離子阱、鑽石空位、拓撲量子位。在之前的文章中，筆者已對相關研究作過一些介紹。然而，今天要重點關注的是：硅自旋量子位。原因很簡單，硅是全球半導體產業所普遍採用的核心材料。對於硅自旋量子位的研究，有助於我們通往可簡單製造並大規模量產的量子位，最終實現可商用的量子計算機。

澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）的科研團隊在這方面取得過許多進展。例如，2017年12月，研究人員們通過重新構思常用的「硅」微處理器，設計出全球首款硅量子計算機晶元，這種晶元可通過標準的工藝和元件進行製造。

（圖片來源：Tony Melov/UNSW）

創新

近日，新南威爾士大學的研究人員們又取得了新進展。他們的研究表明，他們開創的單原子技術可適用於構建三維硅量子晶元，並實現精準的層間對齊與自旋狀態測量。這種三維架構被認為是構建大規模量子計算機的藍圖中重要的一步。

新南威爾士大學的研究人員們在澳大利亞著名的量子計算和通信技術卓越中心（CQC2T）首次表明，他們能在三維器件中構建出原子級精度的量子位，朝著通用量子計算機的目標又邁出了重要的一步。

2018年度傑出澳大利亞人、CQC2T 主任 Michelle Simmons 教授表示，他們能夠拓展原子級量子位製造技術，使之應用於多層硅晶體，從而實現了他們2015年發明的三維晶元架構中一個關鍵元件。這項新研究於1月7日發表在《自然納米技術（Nature Nanotechnology）》期刊上。

論文作者Joris Keizer 博士與Michelle Simmons 教授（圖片來源：UNSW）

技術

2015年，新南威爾士大學的研究人員們設計出一種基於單原子量子位的三維硅晶元架構，這種晶元架構兼容原子級製造技術。在概念設計中，他們從沿著一條線排列成一維量子位陣列，發展成位於同一平面上的二維量子位陣列，而二維陣列的糾錯能力更強。

（圖片來源：UNSW）

在三維架構中，量子位層像三明治一般夾在兩個「線網」層之間。向其中的一些線施加電壓，可並行控制多個量子位，達到以較少的控制來進行一系列運算的目的。重點在於，他們實現了二維」表面代碼（surface code）「糾錯協議。通過這一糾錯協議，計算中存在的任何潛在錯誤都能得到及時糾正。

（圖片來源：UNSW）

在近期的研究中，該研究小組首先論證了這種架構的可行性。在這種三維設計內部，該架構採用與控制線對齊的原子級量子位，而控制線其實就是非常細的線。此外，團隊也在三維器件中以納米精度對齊不同的層，並展示了一次讀出多個量子狀態，也就是說，一次測量達到非常高的保真度。

（圖片來源：UNSW）

Simmons 教授表示：「對於原子級的硅量子位來說，這種三維器件架構是一個顯著的進展。為了能持續糾正量子計算中的錯誤（我們的領域中一個非常重要的里程碑），你必須能並行地控制許多個量子位。」

「實現這一點的唯一方法就是採用三維架構，因此在2015年，我們開發出一個垂直交叉的架構，並申請了專利。然而，這種多層器件的製造還面臨著一系列的相關挑戰。現在，我們通過這一成果可以說明，像我們幾年前展望的那樣，我們的方案設計可以設計成三維的。」

在這篇論文中，團隊論證了如何去構建量子位的第二個控制平面，或者說，位於第一層之上的那一層。CQC2T 研究員、論文合著者之一的 Joris Keizer 表示：「這是高度複雜的工藝，但是簡單來說，我們構建了第一個平面，然後優化了一項技術來生長第二層，且不影響第一層中的結構。」

「過去，批評者們會說，這是不可能的，因為第二層的表面變得非常粗糙，你無法在使用我們的精準技術。然而出乎意料的是，在這篇論文中，我們說明了我們可以做到。」 團隊也表明了，他們然後能以納米精度對齊這些多層結構。

Keizer 博士說：「如果你在第一個硅層上寫一些東西，然後在上面再放置一個硅層，你仍然需要確定你的位置，將兩層中的元件對齊。我們展示的技術能夠實現5納米的對齊精度，這是相當奇特的。」

（圖片來源：UNSW）

最後，研究人員們能夠「單次」測量出三維器件的量子位輸出，也就是說，依靠一次精準的測量，而不是必須依靠幾百萬次實驗的平均值。 Keizer 博士解釋道：「這將進一步幫助我們更快地擴大規模。」

價值

Simmons 教授表示，這項研究是這一領域的一個重要里程碑。她說：「我們正在系統性地展開工作，朝著讓我們走向這項技術最終商業化的大規模架構邁進。」

她總結道：「雖然我們離大規模商用的量子計算機至少還有十年之遙，但 CQC2T 的工作還是處於這一領域的前沿。諸如此類的具體成果，向國際重申了我們在這方面處於強有力的地位。」

關鍵字

量子計算機、量子位、硅、半導體、晶元

參考資料

【1】https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/quantum-scientists-demonstrate-world-first-3d-atomic-scale-quantum-chip

【2】https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/researchers-design-architecture-quantum-computer-silicon

【3】Matthias Koch, Joris G. Keizer, Prasanna Pakkiam, Daniel Keith, Matthew G. House, Eldad Peretz, Michelle Y. Simmons. Spin read-out in atomic qubits in an all-epitaxial three-dimensional transistor. Nature Nanotechnology, 2019; DOI: 10.1038/s41565-018-0338-1

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