- 美國科學家發現矽量子裝置中的隱藏原子無序可能影響量子位穩定性。
- 這些發現有助於開發更可靠的矽量子位和大型量子電腦。
- 研究揭示量子井中的原子無序是谷分裂變異性的主要來源。
- 降低原子變化可幫助生產更一致的矽量子位，促進量子處理器擴展。
美國科學家發現了矽量子裝置中的隱藏原子無序，這可能有助於解答為何某些量子位（qubit）失效或表現不穩定的長期問題。該研究由阿根廷國家實驗室（Argonne National Laboratory，簡稱 ANL）的團隊進行。研究人員研究了一款由 Intel 製造的 12 量子位級別的矽量子點處理器。為了進行研究，他們使用高靈敏度的測量技術，繪製了材料在納米尺度上的變化圖。
分析結果將長期存在的量子位問題追溯至原子級別的隨機變化。這些發現可能促進更可靠的矽量子位和更大型的量子電腦的開發。矽自旋量子位因可以使用現有的半導體製造方法而具有潛力。
原子級別隨機變化的影響
ANL 表示：「本研究揭示了量子井中的原子級無序是谷分裂變異性的主要來源。」與傳統計算機位元不同，後者以 0 或 1 表示信息，矽自旋量子位依賴於個別電子的自旋。電子的自旋可以在磁場中指向上或下，類似於一個小指南針。為了創建這些量子位，科學家將單個電子捕獲在一層極薄的矽中，這層稱為量子井。矽中的電子還具有另一種量子特性，稱為谷狀態。這些狀態之間的能量差異稱為谷分裂。位於阿根廷國家實驗室的芝加哥量子計算測試平台。
圖片（ANL）
谷分裂與用於進行量子計算的電子自旋狀態競爭。一旦谷分裂變得過小，電子可能會泄漏進入不需要的谷狀態，這可能導致錯誤並降低量子位的保真度。儘管團隊懷疑材料缺陷和不一致性起了作用，但這些變化的根本原因仍然不明。為了調查此問題，研究團隊使用了芝加哥量子計算測試平台，該平台由國家量子信息科學研究中心 Q-NEXT 操作。這是美國國家實驗室首個全堆棧的固態量子位測試平台。
降低原子變化的潛力
科學家們依賴電光譜學測量谷分裂，同時調整量子點在矽量子井中的位置。這使他們能夠創建一個納米級的地圖，顯示谷分裂如何從一個位置變化到另一個位置。隨後，他們評估了這些變化在不同距離上的變化，發現合金量子井中的隨機原子變化是谷分裂變異性的主要原因。瞭解變異性來源可以幫助半導體製造商專注於改進矽量子裝置生產的材料和製造過程。這一合作將 Intel 的半導體製造與 ANL 的量子專業知識相結合。
根據 ANL 科學家喬納森·馬克斯（Jonathan Marcks）博士的説法，這項工作可以通過消除該領域最大的障礙之一來加速研究。他在新聞聲明中表示：「即使是建造幾個量子點量子位也很困難。但與 Intel 合作，使用量子點在實用設備上製造大量量子位的前景突然變得更加現實。」降低原子變化可能幫助製造商生產出具有更一致的谷分裂和更高保真度的矽量子位。這將使量子處理器的擴展至大量量子位變得更容易。
該研究由美國能源部科學辦公室通過 Q-NEXT 中心資助，並已發表在《自然通訊》期刊上。
矽量子設備穩定性的重要突破
這項研究揭示了矽量子裝置中原子無序對量子位穩定性的影響，這是量子計算領域的重要挑戰之一。隨著量子計算技術的發展，可靠的量子位是實現大型量子電腦的關鍵。研究團隊的發現不僅有助於理解量子位失效的根本原因，還可能推動半導體製造商改進生產工藝，從而提升量子設備的性能和穩定性。這對於未來量子計算的實用化具有深遠的意義。