硅的“第二春”

EETOP 2021-05-15 10:00

来源: 悦智网

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宏大的工程挑战往往需要巨大的耐心。这对于量子计算来说是千真万确的。经过漫长的20年,如今我们已经从原理上得出“量子计算会无比强大”的结论。量子计算机在短短几分钟内就能解决普通计算机需要花费天文级的时间才能够计算出的问题。但是,制造这种机器的工作几乎还没有越过起跑线。事实上,我们仍在试图寻求最佳的构建材料。
候选材料都相当奇特:由铝等材料印刷出来并冷却到0.01开尔文的超导电路;盘旋在芯片之上、用激光处理过的浮动离子;以及截留在金刚石基体中的氮或其他原子。
这些材料都曾被用来制造最基本的演示系统,使用几个量子比特对较小的数字进行分解或对固态材料的一些行为进行模拟。但这些各异的量子处理元素正面临着来自一种绝对俗套的材料的激烈竞争:传统的硅。
作为潜在的量子计算材料,硅的兴起相当缓慢,但研究结果让它成为了领先的竞争者。加拿大本那比市西蒙菲莎大学的一个研究组与我们在伦敦大学学院的研究小组证明了在室温下硅材料可维持量子比特状态39分钟,在低温下可保持3小时。这按照量子计算标准就相当于永恒了(其他系统可维持状态的时长通常以毫秒或更小的单位计算),而这正是制造具备通用功能、超越传统计算机、可实现大规模计算的量子计算机所需的那种稳定性。
作为硅的忠实粉丝,我们都深受鼓舞。50年来,硅促进了传统计算稳步而快速的发展。传统计算机稳步获利的时代可能即将结束了,但是量子计算机的制造让这一材料的前景更为光明。硅可能会迎来它的“第二春”,起码会像第一次一样炫目。 
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量子计算机是什么?简单地说,它就是一个依据量子力学定律存储并处理信息的系统。这意味着在实际中,其基本计算组件——更不用说这些组件的运作方式——与当今我们能联想到的传统计算形式有很大差别。
虽然听起来很奇怪,但在量子世界中,一个物体可以同时以两种不同的状态存在——这种现象被称为叠加。这意味着,与普通的比特不同,一个量子比特(或量子位)可以处于一种复杂的状态,同时是0和1。只有当你对量子位进行测量时,它才会被迫取两个值中的一个。
当一个量子计算机执行逻辑运算时,它会同时处理量子位状态的所有可能组合。这种大规模并行计算的方式被认为是量子计算机能够快速运算的原因。但通常人们只对这些计算中的一个子集感兴趣。对量子计算机最终状态的测量只会给你一个随机的答案,可能是也可能不是理想的解决方案。编写实用的量子算法的关键在于排除不想要的答案,这样你就能留下恰当的结果了。
目前有一家公司出售所谓的“量子计算”机器。这家公司是位于加拿大本那比地区的D-Wave系统公司。D-Wave公司的算法实现与研究人员对于量子计算的常规认识有些偏差。实际上,对于量子力学的本质以及量子计算机的潜力还存在很多讨论。
多数研究者们追求的是一种通用的量子计算机,它要能够运行任何量子或传统的算法。这种计算机不会在所有方面都胜过传统计算机。但对于某些特定的应用,它会非常有效。一个迅速引起情报部门关注的应用是,它能够以高于最好的传统算法指数倍的速度对大量数据进行因子分解。它能够在短时间内破解今天的计算机无法有效破解的加密代码。另一个有前途的领域是,它能够高速且非常逼真地模拟量子力学系统,如分子的行为。这对于药物和材料的研发可能是一大福音。
要构建一台能够运行上述及其他量子算法的通用量子计算机,你需要的第一个东西就是基本的运算元素:量子比特。原则上,任意物体,只要满足量子物理学定律且能够处于叠加状态,都可用于模拟量子比特。
由于量子行为通常在微小的物体中最为明显,因此多数天然的量子位都是微小的物体,如电子、单个原子核或光子。任何可以取两个值的属性,都可用于量子信息编码,例如光的偏振或在某一个特定位置电子的存在与否。一个较为可行的方案是自旋。自旋是一个相当深奥的属性:它反映了一个粒子的角动量(即使没有发生物理上的旋转),也反映了物体的固有磁性。在电子和原子核中,自旋都可以指向上或向下,以表示1或0,或者它也可以在两种状态中叠加存在。
也有可能从人造结构中得到宏观量子位——如果它们能够被冷却到量子行为可以出现的温度。一种流行的结构是磁通量子比特,它是由超导线圈的载流回路构建的。这些可以以微米为单位测量的量子位,放大了量子的奇异之处:当一个磁通量子比特的状态是叠加的时候,电流会同时在回路的正反两个方向上流动。
D-Wave公司使用的量子位是基于超导回路的。这些量子位被连接在一起,构造出了有别于通用量子计算机的机器。该公司采用了一种名为绝热量子计算的方法,其中量子位被设置为初始状态,随后“放松”达到最佳配置。尽管这种方法可被用来快速地解决某些优化问题,但D-Wave公司的计算机不能执行并实现任意算法。
虽然大型的通用量子计算机还有很长的路要走,但我们已经基本掌握了它的几种构建方法。最直接的方法是采用被称为栅极模型的计算模型。这种模型采用了一系列的“通用栅极”来连接量子比特群,使它们能够按需进行互动。与固定逻辑电路的传统芯片不同,这些栅极可以被用于配置和重新配置量子位之间的关系,以建立不同的逻辑运算。如XOR和NOT等可能是我们熟悉的,但其中很多逻辑运算我们并不熟悉。这些逻辑运算是在一个复杂的空间运行的,每个量子位的状态都可以取任何一个连续范围内的值。但计算的基本流程与传统电路大致相同:逻辑栅极控制信息流动的方式,而量子位的状态随着程序的运行而变化。之后,通过观测系统来读出结果。
另一个更为奇特的想法被称为团簇态模型,这一模型以一种不同的方式运作。这里,计算是仅通过观测行为来执行的。首先,使每个量子位与其相邻的量子位“纠缠”。纠缠是一种量子力学现象,其中两个或更多的粒子(例如电子)共享一个量子态,并且测量一个粒子会影响与其纠缠的伙伴的行为。在团簇态方法中,程序实际上是通过以特定的顺序、沿特定的方向测量量子位而运行的。一些测量通过构建量子网络来对计算进行定义,而其他测量则依靠这一网络推动信息的传递。所有这些测量的最终结果结合在一起就得出了最后的答案。
要使以上任意一种构建方法生效,你必须找到一个途径来确保量子位可维持足够长时间的稳定,使你能够执行计算。就其本身而言,这是一个相当艰巨的任务。量子力学的状态是微妙的,它们会很容易被温度的小幅波动或杂散的电磁场打乱。这可能会引发严重的计算错误,甚至会使计算半途而废。
除了这些,如果你想进行有效的计算,你还必须找到一种方法,将系统扩展到数百个或数千个量子位。在90年代中期,当人们首次通过俘获原子和离子制造出第一个量子位时,扩展被认为是不可行的。即使制造一个量子位,也需要精心的制作方法和大量设备在高真空度下的密切运作。但是,这一情况在过去几年中发生了改变;现在,已经有各种量子计算的候选被证明是易于扩展的(见“量子竞争者”)。
其中,基于硅的量子位得到了我们的青睐。它们可以使用传统的半导体技术制造,并有望得到稳定的性能和紧凑的结构。 
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现有几种不同的方法可以从硅中得到量子位。我们将从早期的一种方法开始介绍:使用人工放置在硅中的原子。
如果这种方法听起来很熟悉,那是因为半导体产业已经使用了杂质来调整硅的电子属性,从而制造出二极管和晶体管等器件。在一个被称为掺杂的过程中,周期表相邻列中的原子被添加到硅中。所掺杂的原子向相邻材料送出一个电子(作为“供体”),或从相邻材料中提取一个电子(作为“受体”)。
这些掺杂剂改变了硅的整体电子特性,但仅在高于零下220摄氏度左右的温度才有效。低于该阈值,来自供体的电子就不再具备足够的热能,无法抵抗正电荷原子的吸引,因此就会返回。
这种被称为载流子冻析的现象,说明了多数传统硅器件停止工作的原因。但在1998年,现在就职于马里兰大学帕克分校的物理学家布鲁斯•凯恩(Bruce Kane)指出,冻析可能对量子计算非常有用。它创造了一组电中性且相对孤立的原子,每个原子都被固定在适当的位置——这就是一个可以存储信息的自然平稳的量子系统。
在这一结构中,信息可以以两种方式进行存储:被编码在供体原子核的自旋态,或者最外层电子的自旋态中。一个粒子的自旋状态对于变化的磁场以及邻近粒子间的相互作用非常敏感。附近其他原子核的自旋是首要问题。它们会随意翻转,扰乱材料中的电子自旋量子位的状态。
但事实证明,这些自旋对于硅来说并不太成问题。硅只有一个同位素——硅29——具有非零自旋核,而硅29只占自然产生的硅原子的5%。因此,核自旋翻转对于硅原子是罕见的。按照量子的标准来衡量,供体电子自旋的寿命相当长。例如,磷供体外层电子的自旋状态在被扰乱前,可以在8开尔文的温度下维持叠加状态达0.3毫秒。
这就是一台量子计算机所需要的最基本的东西。为了弥补一个量子态的损坏并保持量子信息始终完整,用于识别和纠正错误的额外长寿量子位必须被纳入每个用于计算的量子位中。要做到这一点,其中一个最直接的方法是添加冗余,使每个计算量子位实际上由一组量子位组成。随着时间的推移,一些量子位中的信息会被损坏,但这组量子位的状态可以定期依据大多数量子位的状态进行无干扰性重置。如果有足够的冗余,并且错误率在“容错”的阈值以下,信息就可以被维持足够长的时间来执行计算。
如果一个量子位平均持续时间为0.3毫秒,并且可以利用微波辐射在10纳秒内进行调控,就意味着,在量子态衰变之前,可以对其进行平均3万次的闸运算。容错阈值不尽相同,但是这一数字不是很高。这意味着,一台量子计算机将花费几乎所有的时间纠正量子位及其克隆的状态,而进行有意义的计算的时间就会很少。为了减少与纠错相关的时间,并构建更紧凑、更高效的量子计算机,我们必须找到一种方法来延长量子位的寿命。
要做到这一点,一种方法是使用完全不包含同位素硅29的硅材料。这种硅是很难得到的。但是,大约10年前,阿伏伽德罗项目——一个致力于重新界定千克标准的国际合作项目——正巧为了进行测量而制造了一些硅28的原始球。该团队在俄罗斯使用了一系列的离心机,获得了一些纯度为99.995%的硅28,使其成为有史以来制造出的最纯净的材料之一。普林斯顿大学的一个小组获得了一些剩余的材料。经过一番仔细的实验,在2012年,该小组报告称,他们在1.8开尔文的温度下得到了超过1秒钟的供体电子自旋稳定期——这创造了所有材料的电子自旋的世界纪录。这确实表明了硅的真正潜力,并确立了它作为真正竞争者的地位。
我们的研究小组已证明,某些供体原子的自旋——特别是铋——可通过外部磁场调谐到特定的“最佳点”。这些“最佳点”具有对磁波动不敏感的特性。关于供体铋,我们发现其外层电子自旋态可在较高温度下的高纯度硅28中持续长达3秒。重要的是,我们发现在天然硅中,其自旋稳定期可维持0.1秒。这意味着我们应该能够获得相对较长的量子位寿命,而无须寻求特殊的高纯度同位素材料。
对于电子而言,上述时长已经是极佳的了,但相比原子核所能达到的时长,这又逊色许多了。最近由西门菲沙大学的一个团队领导的一次测量表明,磷供体原子的核自旋可以在低温下的硅中持续长达3分钟。由于核自旋与外界的相互作用是通过其周围电子实现的,如果去除磷的最外层电子,这一时长就可以延长至3个小时。
核自旋的寿命之所以比电子自旋的寿命长,是因为它们的磁性较弱,与环境的相互作用不那么强。但这种稳定是有代价的,因为这也使得它们更难被调控。因此,我们预计,由供体原子构建的量子计算机可能会同时使用原子核和电子。易于被操控的电子自旋可以用于运算,而更稳定的核自旋可以被部署为存储元件,在计算过程中,以量子态存储信息。
上文所提到的自旋时长记录都是来自对整个供体集合的测量。但仍有一个主要挑战:你如何一次调控并测量一个供体量子位的状态,尤其当有上万或上百万的量子位存在于一个小空间的时候?直到几年前,人们还并不清楚如何才能做到这一点。但在2010年,经过10年艰苦的研究和开发后,由悉尼新南威尔士大学的安德里亚•莫雷洛(Andrea Morello)和安德鲁•杜拉克(Andrew Dzurak)率领的一个团队表示,控制并读出一个单一供体原子的电子自旋态是有可能的。他们把磷供体靠近一个被称为金属氧化物半导体(MOS)单电子晶体管(SET)的设备,施加了一个温和的磁场,并降低了温度。自旋与磁场反向的电子比自旋与磁场同向的电子获得更多的能量,而这多余的能量就足以使电子从供体原子中弹出了。因为SET对周围环境的充电状态极为敏感,这样掺杂原子的电离过程就改变了SET的电流。从那时起,这一方法被扩展应用在控制和读取单个核自旋态。
SET可能是我们构建有效量子位所需的关键基石之一。但这一方实际构建量子计算机时仍存在一些重大障碍。目前, SET必须在非常低的温度下工作——只有零点几开尔文——以便足够敏感,能够读取量子位。而且,虽然我们可以用单一器件读出一个量子位,但目前我们还没有一个详细的扩展蓝图。如何制造大型阵列并将此类器件集成在一个芯片上仍是待解决的问题。
还有一种基于硅的构建量子位的方法被证明更易于扩展。这一想法源于物理学家大卫•迪文森佐(David DiVincenzo)和丹尼尔•罗斯(Daniel Loss)的研究。量子位通过束缚于量子点内部的单一电子构建。
在一个量子点中,电子可以被紧紧地束缚住,它们被迫占据分立能级,就像它们在原子周围那样。在一个冻析出的供体原子中,被束缚的电子的自旋态可被作为一个量子位的基础。
构建这种“人造原子”的基本方法要求在两种不同材料之间创建突变界面。如果选择了适当的材料,电子就可积聚在界面平面,那里的势能较低。为了进一步阻止电子在平面上来回移动,安置在平面上的金属闸可以对其进行排斥,这样电子就会被驱赶到一个特定的点,在那里它就没有足够的能量出逃了。
硅量子点的大型统一阵列应该比供体量子位阵列更容易制造,因为这种量子位以及连接它们或读取它们的状态所需的任何器件都可以通过今天的芯片制造工艺进行制造。
但这种方式构建出的量子位的寿命并没有硅供体方法得到的量子位那么长。这主要是因为,当在1998年利用量子点构建量子位的想法被提出时,砷化镓/砷化镓铝异质结构是首选材料。砷化镓的电子结构可以很容易地束缚电子:它可以在一个约200纳米宽(而不是在硅的20纳米宽)的器件中进行。虽然砷化镓量子位更容易构建,但它们远不是理想的选择。这是因为镓和砷的所有同位素都拥有核自旋。其结果是,被困在一个砷化镓量子点的电子必须与成千上万的镓和砷的核自旋进行相互作用。这些相互作用使电子的自旋态迅速被搅乱。
由于硅只有一种核自旋的同位素,用硅量子点构造的量子位的寿命本应有望是砷化镓的一百倍以上,最终时长将接近以秒计,但这种材料却面临着自身的挑战。如果你在现有MOS晶体管技术上设立硅量子点模型,你就必须要在硅和氧化物之间的界面捕获一个电子,并且这些界面有很多的缺陷。这些瑕疵形成了电子可以通行的一些浅势阱,增加了器件的噪声,并在你不希望俘获电子的地方俘获到电子。即使有MOS技术发展的几十年经验,构建能够精确地将一个电子困在内部的MOS量子点也已被证实是一项艰巨的任务,这一壮举直到几年前才得以实现。
其结果是,硅与其他材料混合制造的量子点最近取得了成功。硅锗异质结构通过将硅夹在硅锗合金之间构建了量子阱,并且与MOS结构相比在界面具有低得多的缺陷密度。这种材料已跻身于领先者之列。例如,在今年年初,荷兰代夫特理工大学卡夫里纳米科学研究所的一个团队报告称,他们已使硅锗点能够保持40微秒的量子态。但MOS还没有出局。就在几个月前,安德鲁•杜拉克在新南威尔士大学的研究小组报告了其研究的初步结果,表示他们已克服了氧化物界面的缺陷问题。这一突破使得该小组能够在同位素纯硅28中创建超过1毫秒时长的MOS量子位寿命,这一时长应该足够完成纠错了。 
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随着围绕硅的量子计算研究日益深入,我们正处在一个独特的时期。我们有两种可能的系统——供体和量子点——可能被用于制造量子计算机。
哪一个会胜出呢?硅供体系统——电子自旋和核自旋——在自旋时长方面都具有优势。但由于被嵌入在硅矩阵中,供体原子将难以有控制地发生连接或纠缠,而这是进行量子计算所需要的关键能力之一。我们或许能将量子位紧密地聚集在一起,从而使供体电子重叠或供体核能够通过磁相互作用。或者,我们可以设想建立一个“总线”,使微波光子充当信使。在大规模运作中,供体原子很难被安置得足够精确,使上述两种方法不能正常运作。虽然新南威尔士大学的米歇尔•西蒙斯(Michelle Simmons)的近期工作已经表明,通过使用扫描隧道显微镜技术,有可能实现将掺杂剂以原子精度放置在硅的表面。
由20至40纳米的小电极构建的硅量子点,应该更易被统一地构建到大型阵列中。我们可以利用芯片行业中已有的光刻技术来制造器件、电极以及负责电子穿梭并协助电子与其他量子位交互的各种组件。
鉴于这些优势,兼并两种量子位制造方式的量子计算机就不难想象了。更容易构建并连接的量子点,可以用于制造机器的逻辑部分。当完成一部分计算时,电子可以被推向一个位于附近的供体电子,从而向基于供体核的存储器传送结果。
当然,硅也必须与其他一系列令人兴奋的潜在量子计算系统进行竞争。正如今天的计算机使用硅、磁性材料和光纤的混合体来进行计算、存储和通信一样,很可能未来的量子计算机将采用各种完全不同的材料的组合。
在硅被认为与其他量子计算系统具备同等地位之前,我们还有很长的路要走。但是,这并不是硅第一次扮演追赶者的角色了。毕竟,在高纯硅和CMOS工艺出现之前,硫化铅和锗是被用来制造半导体器件的。到目前为止,我们有充分的理由相信,硅仍将在下一次计算大飞跃中——从传统计算到量子时代——生存下来。
作者:Cheuk Chi Lo, John J.L.Morton
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