用提纯硅制造更大、更快的量子计算机

计算机芯片的硅净化可以追溯到 1950 年代，虽然该行业已经达到了传统计算机芯片的可行纯度标准，但量子计算仍然需要更纯净的硅。因此，英国的研究人员已经开发出消除破坏硅中微妙量子比特状态的同位素的方法。这个过程可以使基于硅的量子计算更加可行和具有成本效益。

硅-28 （28Si）同位素占天然硅的90%以上。但 4.5% 的原硅是29硅，含有一个额外的中子，它有效地使同位素具有净核自旋，可以对硅量子比特的微妙电子自旋态造成严重破坏。因此，要使量子计算机具有最大的相干时间，从而使计算机能够承受最长和最复杂的计算29应尽可能从硅量子比特衬底中去除或提取硅。

“使用可以集成到工业过程中的方法获得更高的纯度将立即......[使]这项技术能够扩展到改变世界的应用程序所需的数百万个量子比特。

—安德烈·萨拉伊瓦（ANDRE SARAIVA），迪拉克

“把自旋想象成一块微小的磁铁，”总部位于德克萨斯州奥斯汀的Moore Insights&Strategy的首席分析师Paul Smith-Goodson说。“纯化的硅-28没有自旋。没有自旋的量子比特可以在更长的时间内保持其量子态。硅的同位素，如硅-29，确实有自旋。自旋产生足够的磁噪声来干扰量子比特的量子态并使其坍缩。

总部位于悉尼的量子计算初创公司Diraq的固态理论负责人Andre Saraiva表示，扩展潜力可能很大。“硅中的自旋量子比特具有极好的保真度，但只有在一些同位素纯化之后，”他说。“使用可以集成到工业流程中的方法获得更高的纯度，将立即为我们提供更好的一致性和更轻松的操作，使该技术能够扩展到改变世界的应用所需的数百万个量子比特。”

虽然已经做出了一些努力来减少29硅晶圆中的硅，它们取得了有限的成功。来自英国曼彻斯特大学和澳大利亚墨尔本大学的一组研究人员提出了一种新的方法来解决这个问题。他们没有尝试纯化整个硅晶圆，而是选择减少29仅量子比特将使用的区域的 Si 含量。

标有 Nat Si 的灰色矩形的插图，有 7 个蓝色和金色矩形标有控制芯片，28、29 和 30 Si 的彩色点落入称为富集区域的部分，然后是一个标有 29Si 的红色矩形，10 ppm。在一种新的纯化技术中，聚焦的硅-28离子束撞击天然硅晶圆，迫使不需要的硅-29同位素，该技术可用于使硅晶圆更适合容纳精密的自旋量子比特。 自然通讯资料

为了实现这一点，他们将晶圆置于真空中，并用聚焦的离子束轰击目标区域28硅原子。当光束撞击晶圆时，它会置换现有的硅原子，取而代之的是28硅同位素。他们使用了一种产生直径约为500纳米的光束的装置。该光束在边长 22 微米的方形目标区域进行光栅扫描。研究人员说，这足以容纳一个12,000量子比特阵列。然后，晶圆经过两步退火工艺，将辐照材料返回到晶相。

研究人员设法生产出低于百万分之三的样品29Si—约1/10,00029硅杂质比天然硅中存在的杂质。

通过仅处理目标区域，该过程比其他试图物理分离同位素的过程（例如通过离心机）更有效和可扩展。离子束富集工艺的另一个优点是它不会将其他污染物引入硅晶圆中。其他程序可能会在富集过程中引入额外的碳和氧。

曼彻斯特大学先进电子材料教授理查德·库里（Richard Curry）表示，研究团队希望开发一种“可扩展且与标准硅器件加工兼容”的技术。“这使得它在未来的硅基量子技术制造中得以采用。