美國物理學家開發純度極高超硅材料制造量子計算機
作者：admin 發布日期：2020-01-11
根據江蘇大中新材料科技有限公司分析，據英國廣播公司（BBC）網站報道，要想制造量子計算機，一般意義上的純凈硅材料已經不足以解決問題，人們需要一種特定類型的硅原子。理想的材料是硅-28，而近日美國的物理學家們已經設計出一種方法，能夠制備純度比以往傳統方法高出40倍的硅-28材料。
更加令人興奮的是，研究人員現在只需要在自己的實驗室中就能完成整個制備過程，而不是像10年前那樣不得不依賴于位于俄羅斯圣彼得堡附近一座經過專門改造過的巨大的钚反應堆進行生產。
在真空腔內制備硅材料時溫度很高，能看到采集到的硅材料正發出明亮的光
世界上絕大部分的超純凈硅-28都被用來制備1公斤重量的球體，作為精密測定阿伏伽德羅常數項目的一部分
美國科學家們開發的制備超純凈硅-28材料的新方法主要依賴于質譜儀的應用，這種設備的原設計目的是開展物質成分的鑒定
這是一項意義重大的技術進步，讓人們朝著解決量子計算機原材料供應不足的問題上前進了一大步。
制造量子計算機
建造量子計算機的幾個設計方案都基于硅材料。其中一項受到廣泛關注的方案將“量子位”（qubits）存儲在另一種元素的原子中，如磷，并將這些源自嵌入在一層薄薄的超純凈硅-28層位之上。
所謂“量子位”是傳統計算機中“比特”（bits）的量子對應版本，也就是類似傳統計算機中用0或1的方式進行信息存儲的方式。而科學家們之所以認為量子計算機將能夠開啟計算的新時代，是因為其能夠同時處理0和1，從而達成對于傳統計算機而言快到不可思議的計算速度，或進行復雜程度驚人的運算。
然而對于這種基于硅材料的設計方案，其中最大的難度就在于常規的硅材料中有很多硅原子并非硅-28. 在市面上銷售的商業硅晶片中，幾乎有8%的材料是由其他硅的同位素材料制成的，比如硅-29，這樣的材料會造成量子芯片出錯。
約書亞·普米羅伊（Joshua Pomeroy）博士是這項開發工作的參與者，來自美國馬里蘭州的美國國家標準與技術研究所。他表示：“這會導致消相干效應，這有點像是計算機患上了注意缺陷障礙（ADD）。”在這一領域工作的研究人員，比如約書亞博士都不得不依賴俄國生產的富集硅-28殘料開展工作。
位于俄羅斯圣彼得堡的一座钚核反應堆經過特殊改造成為了一座提煉工廠，其中包含一座由德國專家設計的工業級氣體離心機，于2004年完成安裝工作并投入運行。這臺設備可以生產純度達到99.99%的硅-28材料。
這里生產的樣品被制成重5公斤的材料，花費大約100萬歐元。該項目是一個國際合作項目的組成部分，目的是想根據1公斤的純硅-28球體來精確測定阿伏伽德羅常數。
而該項目使用剩余下的殘料則幾乎是此前全世界范圍內唯一能夠獲得這種純度級別硅材料的途徑。
普米羅伊博士表示，量子學界無法要求資源產業界去生產這種高純度的硅材料。他表示，阿伏伽德羅項目的存在完全是一個偶然。他說：“于是我們都有一種緊張情緒，當這個項目最終完成之后，他們不再提供這種高純度硅材料給我們了，那時候我們該怎么辦？”
不過，普米羅伊博士和同事們顯然已經基本給出了回答。他們近日對外展示了自行生產的少量高純度硅-28，其純度達到99.9998%。并且這些材料只需使用在很多實驗室里現成的設備便可以完成所有工序。
質譜儀分離技術
他們完成這項工作所依賴的最重要的設備是質譜儀，這是一種一般用于鑒定物質成分的設備，其原理是測量樣品中不同原子的質量大小來分辨不同的元素成分。通過將 硅離子送入一個大型磁場，質量上存在差異的不同硅同位素原子就能夠被相互分離開，因為較重的硅同位素離子被磁場偏轉的角度會更小一些，而那些質量較輕的同 位素離子則會在磁場作用下發生更大的偏轉。
普米羅伊博士表示，這是一項簡單到出乎意料的解決方案。他說：“我們碰到了在科學上經常會發生的事情，那就是我們有一臺設備，它的功能已經到了極限。但我們突然有了一個新問題需要解決，而這臺設備卻正好可以勝任。”
普米羅伊博士的研究組利用這項技術生產出來的硅-28薄片非常非常純凈，但同時也非常小。
他表示：“想要利用這種技術生產較大數量的樣品將會困難得多，不過由于只是用于開展研究，那樣大的數量本身也是沒有必要的。”
盡管有一些充滿爭議的商業化動議，但總體而言量子計算機仍然還停留在技術研究階段。而根據普米羅伊博士的說法，他們此番開發的硅-28提純新技術將幫助其他實驗室的科學家們提取實驗所需的超純凈硅-28材料并用于對各類量子計算機設計方案進行實驗和驗證。他說：“我們意識到我們并沒有必要生產出足夠制成一整片硅晶片數量的超純硅-28材料。我們需要的只是將計算機與硅晶片的其他部分隔絕開所需要的少量材料即可。”有關這項研究的相關論文已經刊載于《Journal of Physics D》雜志上。