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美、澳科学家研发以纯度极高的超硅材料制造量子计算机
美、澳科学家研发以纯度极高的超硅材料制造量子计算机
2016/7/11 17:49:26 | 浏览:1064 | 评论:0
澳大利亚打造硅量子计算机

澳大利亚新南威尔士大学打造硅量子计算机

美、澳科学家研发以纯度极高的超硅材料制造量子计算机

新南威尔士大学用来冷却硅量子芯片的冷库。 图片来源:UNSW

硅处于数万亿美元的计算机产业的核心位置。现在,由于澳大利亚的一项出色的合作设计,通过硅元素制造量子处理器的计划已经启动。

今年7月,悉尼新南威尔士大学(UNSW)量子计算和通信技术中心将会收到首批3300万美元的投资。这些资金来源于政府和产业界,其目标是创造现实可用的量子计算机。

在5月6日于英国伦敦举行的一次创新论坛上,两名来自UNSW的物理学家分享了实现这一目标的计划。其听众包括企业家和科学家,他们对量子技术商业化进行了评论,其中包括感应器、计算机安全、量子互联网以及量子计算机。

到目前为止,UNSW团队已经利用量子比特在单原子层面展示了一个系统。而实用性的计算将需要在多原子层面连接量子比特。该团队的硅比特可以使其量子态比超导回路形成的量子态长近100万倍,UNSW物理学家Guilherme Tosi告诉参会者说。这可以让硅比特以仅相当于超导回路1/6的误差运行。

如果该团队能够在更大型的系统中实现这一低误差比率,那么将会带来“切实惊人的成果”,谷歌公司工程部主任、该专家委员会成员Hartmut Neven说。但是他同时表示,在运行方面,该系统仍远滞后于其他系统。该团队希望在未来5年内达到10量子比特,但是谷歌公司和IBM已经在通过超导系统实现这一目标。5年内,谷歌计划达到数百量子比特。

来自UNSW另一个团队的硅设计系统相对较弱,但是已经展示了可连接两个量子比特的运算,这一构建模块为创造更加复杂的设备铺平的道路。

在常规计算机中,每个比特都可以被“打开”或是“关闭”。在量子计算机中,量子比特可以同时处于打开和关闭状态,这使其能够进行很多平行计算。这可以让量子计算机进行常规计算机需要比宇宙年龄更久的时间才能进行的预算,不过这种设计现在仍然很小,不能实现这一点。(鲁捷)

 

美科学家开发纯度极高超硅材料制造量子计算机

   
美、澳科学家研发以纯度极高的超硅材料制造量子计算机
 
在真空腔内制备硅材料时温度很高,能看到采集到的硅材料正发出明亮的光
 
美、澳科学家研发以纯度极高的超硅材料制造量子计算机  
 
世界上绝大部分的超纯净硅-28都被用来制备1公斤重量的球体,作为精密测定阿伏伽德罗常数项目的一部分
 

美、澳科学家研发以纯度极高的超硅材料制造量子计算机 

美国科学家们开发的制备超纯净硅-28材料的新方法主要依赖于质谱仪的应用,这种设备的原设计目的是开展物质成分的鉴定

  据英国广播公司(BBC)网站报道,要想制造量子计算机,一般意义上的纯净硅材料已经不足以解决问题,人们需要一种特定类型的硅原子。理想的材料是硅-28,而近日美国的物理学家们已经设计出一种方法,能够制备纯度比以往传统方法高出40倍的硅-28材料。

  更加令人兴奋的是,研究人员现在只需要在自己的实验室中就能完成整个制备过程,而不是像10年前那样不得不依赖于位于俄罗斯圣彼得堡附近一座经过专门改造过的巨大的钚反应堆进行生产。

  这是一项意义重大的技术进步,让人们朝着解决量子计算机原材料供应不足的问题上前进了一大步。

  制造量子计算机

  建造量子计算机的几个设计方案都基于硅材料。其中一项受到广泛关注的方案将“量子位”(qubits)存储在另一种元素的原子中,如磷,并将这些源自嵌入在一层薄薄的超纯净硅-28层位之上。

  所谓“量子位”是传统计算机中“比特”(bits)的量子对应版本,也就是类似传统计算机中用0或1的方式进行信息存储的方式。而科学家们之所以认为量子计算机将能够开启计算的新时代,是因为其能够同时处理0和1,从而达成对于传统计算机而言快到不可思议的计算速度,或进行复杂程度惊人的运算。

  然而对于这种基于硅材料的设计方案,其中最大的难度就在于常规的硅材料中有很多硅原子并非硅-28. 在市面上销售的商业硅晶片中,几乎有8%的材料是由其他硅的同位素材料制成的,比如硅-29,这样的材料会造成量子芯片出错。

  约书亚·普米罗伊(Joshua Pomeroy)博士是这项开发工作的参与者,来自美国马里兰州的美国国家标准与技术研究所。他表示:“这会导致消相干效应,这有点像是计算机患上了注意缺陷障碍(ADD)。”在这一领域工作的研究人员,比如约书亚博士都不得不依赖俄国生产的富集硅-28残料开展工作。

  位于俄罗斯圣彼得堡的一座钚核反应堆经过特殊改造成为了一座提炼工厂,其中包含一座由德国专家设计的工业级气体离心机,于2004年完成安装工作并投入运行。这台设备可以生产纯度达到99.99%的硅-28材料。

  这里生产的样品被制成重5公斤的材料,花费大约100万欧元。该项目是一个国际合作项目的组成部分,目的是想根据1公斤的纯硅-28球体来精确测定阿伏伽德罗常数。

  而该项目使用剩余下的残料则几乎是此前全世界范围内唯一能够获得这种纯度级别硅材料的途径。

  普米罗伊博士表示,量子学界无法要求资源产业界去生产这种高纯度的硅材料。他表示,阿伏伽德罗项目的存在完全是一个偶然。他说:“于是我们都有一种紧张情绪,当这个项目最终完成之后,他们不再提供这种高纯度硅材料给我们了,那时候我们该怎么办?”

  不过,普米罗伊博士和同事们显然已经基本给出了回答。他们近日对外展示了自行生产的少量高纯度硅-28,其纯度达到99.9998%。并且这些材料只需使用在很多实验室里现成的设备便可以完成所有工序。

  质谱仪分离技术

  他们完成这项工作所依赖的最重要的设备是质谱仪,这是一种一般用于鉴定物质成分的设备,其原理是测量样品中不同原子的质量大小来分辨不同的元素成分。通过将 硅离子送入一个大型磁场,质量上存在差异的不同硅同位素原子就能够被相互分离开,因为较重的硅同位素离子被磁场偏转的角度会更小一些,而那些质量较轻的同 位素离子则会在磁场作用下发生更大的偏转。

  普米罗伊博士表示,这是一项简单到出乎意料的解决方案。他说:“我们碰到了在科学上经常会发生的事情,那就是我们有一台设备,它的功能已经到了极限。但我们突然有了一个新问题需要解决,而这台设备却正好可以胜任。”

  普米罗伊博士的研究组利用这项技术生产出来的硅-28薄片非常非常纯净,但同时也非常小。

  他表示:“想要利用这种技术生产较大数量的样品将会困难得多,不过由于只是用于开展研究,那样大的数量本身也是没有必要的。”

  尽管有一些充满争议的商业化动议,但总体而言量子计算机仍然还停留在技术研究阶段。而根据普米罗伊博士的说法,他们此番开发的硅-28提纯新技术将帮助其他实验室的科学家们提取实验所需的超纯净硅-28材料并用于对各类量子计算机设计方案进行实验和验证。他说:“我们意识到我们并没有必要生产出足够制成一整片硅晶片数量的超纯硅-28材料。我们需要的只是将计算机与硅晶片的其他部分隔绝开所需要的少量材料即可。”有关这项研究的相关论文已经刊载于《Journal of Physics D》杂志上。(晨风)

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