新方法“近乎完美”控制單原子，提高建造通用量子計算機可能性

　　英國倫敦大學學院工程師和物理學家開發出一種新方法，首次成功在陣列中可靠地定位單個原子，其接近100%的精度和可擴展性可用于制造量子計算機，使其達到幾乎為零的故障率，提高了建造通用量子計算機的可能性。相關研究發表在最新一期《先進材料》雜志上。

　　泰勒·斯塔克博士將樣品裝入掃描隧道顯微鏡 (STM)，用于執行原子級操作。圖片來源：倫敦大學學院

　　從理論上講，量子計算有可能解決傳統計算機永遠無法解決的復雜問題。在通用量子計算機中創建量子門的一種方法是將單個原子放置在硅中，冷卻到極低溫度以保持其量子性質穩定，然后用電信號和磁信號來操縱它們處理信息，就像操縱傳統計算機中的二進制晶體管來輸出0或1一樣。

　　建造量子計算機的各種方法正在研發中，但還沒有一種方法能夠達到所需的規模和低錯誤率。

　　在硅晶體中精確定位單個“雜質”原子，從而操縱其量子特性以形成量子比特。這種方法具有低量子比特錯誤率，并以可擴展的硅微電子技術為基礎。標準方法使用磷作為雜質原子，但由于單個磷原子的定位成功率僅為70%，因此該系統距建立量子計算機所需的近零故障率仍有距離。

　　在本研究中，研究人員假設，砷可能是一種比磷更可靠的材料。他們使用一種能夠識別和操縱單個原子的顯微鏡，將砷原子精確地插入硅晶體中。然后，他們重復這一過程，建立了一個2×2的單砷原子陣列，可以用作量子比特。

　　研究人員表示，他們能夠以近乎完美的精度將原子放置在硅中，并以一種可以擴展的方式放置原子，這是量子計算領域的一大進步。他們首次展示了一種實現量子計算機所需精度和規模的方法。

　　目前，研究中開發的方法需要手動定位每個原子，一次一個，這需要幾分鐘的時間。理論上，這一過程可無限重復。但實際上，為了建造通用量子計算機，有必要將這一過程自動化和工業化。這意味著要創建數百萬、數千萬甚至數十億個量子比特陣列。該方法需要與當前的半導體工藝高度兼容，并在解決一些工程難題后加以集成。

　　量子計算機的研發，涉及多學科交叉領域，材料學便是其中之一。量子計算機用什么材料來研制，才能更好地發揮其潛能？對此，科研人員仍在不斷嘗試和探索之中。目前，超導材料、光子材料、原子材料等都屬于研制量子計算機的候選材料。可以肯定的是，無論采用哪種材料，其核心原則是符合量子計算機的運行規律。