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硅夸张可能是量子革命的关键

时间：2021-10-01 14:24:59 来源：

艺术家的电子波函数（蓝色）的印象，限制在无旋转的28硅原子（黑色）的晶体中。电子的旋转编码长寿命，高保真量子位。

两个新出版的研究表明，硅夸距的准确性和寿命现在适用于大型量子计算机。

时间数据量的急剧增加可以存储在单个原子上，意味着硅可以再次在超快速计算机的开发中再次发挥重要作用。

硅芯片自20世纪50年代发明以来，彻底改变了日常生活的大部分方面。它改变了我们互相沟通的方式，以及我们如何将几乎所有日常物品从汽车到飞机，冰箱和我们的智能手机和平板电脑操作。

这样做的原因是硅可以“制作”成令人眼花缭乱的复杂电子结构和设备，例如亿万甚至克隆到每个硅芯片中的亿甚至晶体管。

虽然现代计算机使用这些硅芯片（或集成电路）进行复杂计算阵列，但仍存在现有计算机无法解决的一些重要问题。

例如，医学研究人员希望能够通过计算机辅助设计来发明新的药品，就像汽车工程师设计新车的方式一样，但他们今天不能这样做。

原因是弥补药物的分子不是“宏”物体，就像一辆车，但它们生活在“微量”或量子世界中，这更复杂地计算。

事实上，我们没有知道今天的计算机将能够正确地设计这些分子系统。因此，我们必须转向新型计算机 - 量子计算机 - 其中用于计算的数据的“比特”本身存储在量子颗粒上，如磷酸异常或电子。

这种量子计算机也有望能够解决其他重要问题，例如搜索大数据集，或解决复杂的财务问题。

寻找最佳的QUBBIT

在过去的二十年中，世界各地的研究人员一直在探索一系列不同的物理系统，以充当这种量子计算机中的“量子位”。现在看来，硅，巩固了以前的信息革命，可以很好地为下一个量子革命提供关键。

在过去三年中，我们在UNSW的两支研究团队已经表明，硅可以用于制作功能量子位或QUBITS。特别地，我们发现可以使用磷的单个原子来紧密地保持电子，这也承载可以用作量子钻头的“旋转”（如微小磁体）。但是存储在电子旋转上的二进制代码（0或1）非常快速地加扰，使得一个相当糟糕的QUBT。

磷原子的核心还含有核旋转，这有助于由于其对周围环境中存在的噪声的敏感性非常弱的敏感性，这可以充当优异的记忆储存量子位。

即便如此，当放置在“天然”硅芯片内时，磷核旋转失去在不到一秒钟内编码的量子信息。

存储时间增加

新的研究在自然纳米技术中发表 - 来自我们团体的两篇论文，其中一个来自荷兰 - 美国的合作 - 表明硅码头的准确性和寿命现在处于领域，使它们适用于制造大型量子计算机。

我们在澳大利亚的团队使用了一种特殊纯净类型的硅，其中仅包含一个同位素，称为SI-28。

这种同位素是完全非磁性的，因为其核没有旋转。纯化的Si-28芯片的电特性与天然硅的电气特性相同，因此对于任何电子设备，它同样适用于。

但是当纯SI-28内的电子或核自旋QUB在纯SI-28内进行CONPD时，没有磁噪声允许我们以前所未有的精度存储和操纵量子状态。

在其中一篇新的论文中，我们的团队证明我们可以在捕获在“人造原子”中的单个电子上执行量子逻辑操作，这是由芯片表面上的小金属电极产生的。

这些器件非常类似于现有的硅晶体管，为商业制造提供了很大的希望。由于超纯的SI-28，我们现在可以达到高于99％的量子操作的准确性。这种准确性很大，因为它超越了最小要求，以确保使用特殊代码可以纠正（罕见）错误。

在一个单独的纸张中，我们报告了相似的精度，超过99％，对于通过相同的Si-28材料中的磷“天然原子”所持的电子旋转的操作。

此外，随着磷的核旋转，我们已经建立了新的世界纪录，了解量子信息在固态中的量子钻头上的时间：35秒以上，这是量子世界的永恒。操作的准确性是惊人的99.99％。

随着现在在硅电子器件内展示的精致量子位，建立功能量子计算机已成为更加现实的前景。新的量子革命可能会建立在旧的，可信和无所不能的硅片微芯片上。

刊物：

M. Veldhorst等，“具有容错控制保真度的可寻址量子点Qubit，”自然纳米技术（2014）; DOI：10.1038 / nnano.2014.216Juha T. Muhonen等，“在纳米电子器件中将量子信息存储在30秒”，“自然纳米技术（2014）; DOI：10.1038 / nnano.2014.211

图像：斯蒂芬妮西蒙斯博士，UNSW

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