研究人员利用纯硅制造更大、更快的量子计算机

The University of Manchester

为计算机芯片纯化硅可以追溯到20世纪50年代（https://spectrum.ieee.org/the-secondhand-origins-of-silicon-valleys-ingot-industry），虽然该行业已经为传统计算机芯片制定了可行的纯度标准，但量子计算仍然需要更纯净的硅（https://spectrum.ieee.org/tag/quantum-computing）。因此，英国的研究人员已经开发出消除破坏硅中精细量子比特状态的同位素的方法。这一过程可以使硅基量子计算更可行、更具成本效益。

硅-28（28Si）同位素占天然硅的90%以上（https://www.britannica.com/science/silicon）。但是4.5%的原始硅是29Si，含有一个额外的中子，这有效地使同位素具有净核自旋，这可能会对硅量子比特的精细电子自旋状态造成严重破坏。因此，为了制造具有最大相干时间的量子计算机，从而制造出能够维持最长、最复杂计算的计算机，应该从硅量子比特基板中去除或提取尽可能多的29Si。

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：“把自旋想象成一块微小的磁铁。纯硅-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。硅的一种同位素，如硅-29，确实有自旋。自旋会产生足够的磁噪声来干扰量子比特的量子态，使其崩溃。”

悉尼量子计算初创公司Diraq的固态理论主管Andre Saraiva表示，标度电位可能很大。他说：“硅中的自旋量子比特具有极好的保真度，但只有在经过一些同位素纯化之后。通过一种可以集成到工业过程中的方法提高纯度，将立即为我们提供更好的一致性和更容易的操作，使这项技术能够扩展到改变世界的应用所需的数百万量子比特。”

虽然已经做出了一些努力来减少硅片中29Si的存在，但收效甚微。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（https://www.nature.com/articles/s43246-024-00498-0）。他们没有试图纯化整个硅片，而是选择减少量子比特将使用的区域的29Si含量。

为了实现这一点，他们将晶片置于真空中，并用28Si原子的聚焦离子束轰击目标区域。当光束照射到晶片上时，它会置换现有的硅原子，只用28Si同位素替换它们。他们使用了一种产生直径约为500纳米的光束的装置。该光束在侧面22微米的方形目标区域上进行光栅扫描（https://en.wikipedia.org/wiki/Raster_scan）。研究人员表示，这个区域足以容纳12000个量子比特阵列。然后，晶片经过两步退火过程，使受照射的材料恢复到晶相。

研究人员设法生产出29Si含量低于百万分之三的样品，大约是天然硅中29Si杂质的1/10000。

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（如离心）更有效、更可扩展。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片。其他程序可以在富集过程中引入额外的碳和氧。

曼彻斯特大学高级电子材料教授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。“这使得它能够在未来的硅基量子技术制造中得到应用” 。