墨爾本大學和曼徹斯特大學合作開發了一種生產超純矽的突破性方法，提高了可擴展和精確量子電腦的潛力。這項技術擴展了量子相干性，大大減少了計算誤差，使複雜計算的速度超過了傳統計算機。研究人員說，這項超純矽工程新技術使其成為大規模、高精度製造量子電腦的完美材料。

計畫共同導師、墨爾本大學的戴維-賈米森（David Jamieson）教授說，今天（2024年5月7日）發表在《自然》雜誌《通訊材料》（CommunicationMaterials）上的這一創新成果，使用了植入純穩定矽晶體中的磷原子量子位元，透過延長眾所周知的脆弱量子相干的持續時間，可以克服量子計算的一個關鍵障礙。

“脆弱的量子相干性意味著計算誤差會迅速累積。有了我們的新技術提供的強大相干性，量子計算機可以在幾小時或幾分鐘內解決一些傳統或’經典’計算機–甚至超級計算機- -需要幾個世紀才能解決的問題，」傑米森教授說。

當一個量子位元（如原子核、電子或光子）處於多種狀態的量子疊加時，它就是一個量子物體。當量子位元恢復到單一狀態時，相干性就會消失，變成像傳統電腦位元那樣的經典物體，而傳統電腦位元永遠只有一個或零，永遠不會處於疊加狀態。

量子位元或量子位元–量子電腦的構件–容易受到環境微小變化的影響，包括溫度波動。即使在接近絕對零度（攝氏零下273度）的寧靜冰箱中運行，目前的量子電腦也只能在極短的幾分之一秒內保持無錯誤的一致性。

曼徹斯特大學的聯合導師理查德-庫裡（Richard Curry）教授說，超純矽允許構建高性能量子比特器件，而這是可擴展量子計算機鋪平道路所需的關鍵部件。

“我們所能做的就是有效地創造出構建矽基量子計算機所需的關鍵’磚塊’。庫裡教授說：”這是創造一項有可能改變人類的技術的關鍵一步。 “

主要作者、墨爾本大學/曼徹斯特大學聯合培養的博士生Ravi Acharya 在曼徹斯特大學P-NAME 聚焦離子束實驗室準備矽晶片，以便進行富集。資料來源：墨爾本大學/曼徹斯特大學

領銜作者、曼徹斯特大學/墨爾本大學庫克森聯合學者拉維-阿查里亞說，矽晶片量子運算的最大優勢在於它使用了與製造當今電腦晶片相同的基本技術。

“目前，日常電腦中的電子晶片由數十億個電晶體組成，這些電晶體也可用於製造矽量子設備的量子位元。迄今為止，製造高品質矽量子位元的能力部分受限於所用矽起始材料的純度。

賈米森教授說：”新型高度純化的矽計算機晶片可以容納和保護量子比特，使它們能夠更長時間地保持量子相干性，從而能夠進行複雜的計算，並大大減少糾錯的需要。我們的技術為可靠的量子電腦開闢了道路，有望在人工智慧、安全數據和通訊、疫苗和藥物設計以及能源利用、物流和製造等領域為整個社會帶來階躍式變革。

矽由不起煙的海灘沙製成，是當今資訊科技產業的關鍵材料，因為它是一種豐富且多用途的半導體：它可以作為電流的導體或絕緣體，這取決於添加到其中的其他化學元素。

賈米森教授說：”其他人正在嘗試使用替代品，但我們相信矽是量子計算機晶片的主要候選者，它將實現可靠的量子計算所需的持久相干性。”

共同作者（左）David Jamieson 教授（墨爾本大學）和（右）Maddison Coke 博士（曼徹斯特大學）在曼徹斯特大學檢查用於矽富集計畫的P-NAME 聚焦離子束系統。資料來源：墨爾本大學/曼徹斯特大學

他說：”問題在於，雖然天然存在的矽主要是理想的同位素矽-28，但也有大約4.5% 的矽-29。矽-29 在每個原子核中都有一個額外的中子，它就像一塊微小的流氓磁鐵，會破壞量子相干性並產生計算誤差。

研究人員將一束聚焦的純矽-28 高速射向矽晶片，使矽-28 逐漸取代晶片中的矽-29 原子，將矽晶片，使矽-28 逐漸取代晶片中的矽-29 原子，將矽晶片-29 從百萬分之四點五減少到百萬分之二（0.0002%）。

“好消息是，要將矽純化到這種程度，我們現在可以使用一台標準機器–離子注入機–你可以在任何半導體製造實驗室找到它，並根據我們設計的特定配置進行調整。 “

在先前發表的與澳洲研究理事會量子計算和通訊技術卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）合作進行的研究中，墨爾本大學利用純度較低的矽材料創造了30 秒的單量子比特相干世界紀錄，並且至今仍保持著這項紀錄。 30 秒的時間足以完成無錯誤的複雜量子計算。

賈米森教授說：「現有最大的量子電腦擁有1000多個量子比特，但由於失去了一致性，在幾毫秒內就會出現錯誤。既然我們已經可以生產出極純的矽-28，我們的下一步將是證明我們可以同時維持許多量子位元的量子相干性。

這項最新研究工作得到了澳洲和英國政府的研究資助。賈米森教授與曼徹斯特大學的合作得到了英國皇家學會沃爾夫森訪問學者獎學金的支持。

根據澳洲聯邦科學與工業研究組織2020 年的報告估計，到2040 年，澳洲的量子運算有可能創造1 萬個工作機會和25 億美元的年收入。

編譯來源：ScitechDaily