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原標(biāo)題：99.9999%超純度硅為量子計(jì)算鋪路

　　用于提純硅的裝置。

　　硅沉積室的內(nèi)部。

科技日?qǐng)?bào)訊 （記者陳丹）繼去年獲得純度高達(dá)5個(gè)9（99.9998%）的硅后，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的團(tuán)隊(duì)又一次刷新紀(jì)錄：他們使用一項(xiàng)相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)，生產(chǎn)出了可能是目前純度最高的硅，該材料99.9999％以上的成分為硅28，僅有不到百萬(wàn)分之一為不確定的同位素硅29。

許多量子計(jì)算方案需要同位素純硅，比如用作襯底，在其上嵌入量子位（存儲(chǔ)信息的量子比特）。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、該研究院物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)室量子工序和計(jì)量學(xué)組的喬?！げ_伊表示，“眼下面臨的真正挑戰(zhàn)是如何讓這種非結(jié)晶的高純度硅成為晶片或外延層所使用的硅的形式”，這是構(gòu)建實(shí)用量子信息系統(tǒng)最終所必需的。在這方面他們已經(jīng)取得了一定的成功，能夠讓這種高純度硅生長(zhǎng)成為近乎完美的晶體。

要滿(mǎn)足大部分量子計(jì)算目的，需要純度至少達(dá)99.99%的硅28，但這種硅目前還無(wú)法通過(guò)可靠的商業(yè)來(lái)源獲取。天然非高純度硅中含有大約92％的硅28，另有大約4.7％的同位素硅29。但硅29的存在是量子計(jì)算必須克服的一個(gè)難題，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致量子信息的崩潰，也就是量子比特的“退相干”。硅29的含量每減少10倍，相干時(shí)間便可延長(zhǎng)10倍。

為了進(jìn)一步提純硅28，研究小組采用了一種類(lèi)似質(zhì)譜分析的技術(shù)。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)8月13日（北京時(shí)間）報(bào)道，他們先用高壓將自然界中含量豐富的硅烷氣體中的硅原子電離并萃取出來(lái)，然后使其通過(guò)磁場(chǎng)，這會(huì)導(dǎo)致離子的軌道彎曲，而曲率半徑取決于離子的質(zhì)量，因此硅28和硅29會(huì)分離成不同的光束。接著，硅28離子束被引導(dǎo)到一個(gè)約1平方厘米的非高純度硅基底上，以方便收集硅28離子。相比其他生產(chǎn)高提純硅的最先進(jìn)技術(shù)，比如旨在利用一個(gè)高純度硅28制造的完美球體來(lái)定義千克標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際阿伏伽德羅項(xiàng)目，這種方法要簡(jiǎn)單得多。

不過(guò)，不論是經(jīng)典計(jì)算還是量子計(jì)算，都需要具有規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的高純度硅，這是因?yàn)榉蔷Ч璩錆M(mǎn)懸空鍵、氧分子和其他雜質(zhì)，導(dǎo)致其電性能不佳。為了獲得晶體硅樣品，研究人員讓硅28在一個(gè)加熱到1250攝氏度高溫的非高純度晶體硅襯底上生長(zhǎng)，結(jié)果這種高純度硅幾乎能夠完美地模仿襯底的結(jié)構(gòu)。他們?cè)绢A(yù)計(jì)這個(gè)加熱步驟會(huì)降低晶片的純度，但出乎意料的是，當(dāng)一份樣品被升溫到600攝氏度時(shí)，或許是由于真空壓力，其純度竟然提高了10倍，達(dá)到了6個(gè)9（99.9999%）。這種超高純度的硅可應(yīng)用于所有采用硅基量子比特的量子系統(tǒng)。波默羅伊的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)測(cè)試其電子性能，進(jìn)一步改進(jìn)并驗(yàn)證這種硅是否真的有助于保持相干性。

總編輯圈點(diǎn)

硅有很多同位素，針對(duì)硅28這一種同位素的純化，比制作太陽(yáng)能電池板的硅晶體那種元素級(jí)別上的提純，在技術(shù)難度上高多個(gè)數(shù)量級(jí)?？茖W(xué)家如此絞盡腦汁，為的是減少外部環(huán)境作用引起的量子相干性衰減，即退相干。量子計(jì)算用到的最重要量子特質(zhì)便是相干性，從而讓彼此有關(guān)的量子比特串列作為一個(gè)整體來(lái)動(dòng)作，如果相干性保持的時(shí)間不夠長(zhǎng)，就無(wú)法完成計(jì)算。本項(xiàng)研究試圖通過(guò)材料革新來(lái)延長(zhǎng)退相干時(shí)間，來(lái)解決量子高速運(yùn)算的最關(guān)鍵問(wèn)題。