Opbygning af en siliciumkvantecomputerchip atom for atom

Et team ledet af University of Melbourne har perfektioneret en teknik til at indlejre enkelte atomer i en siliciumwafer én efter én. Deres teknologi giver mulighed for at lave kvantecomputere ved hjælp af de samme metoder, som har givet os billige og pålidelige konventionelle enheder, der indeholder milliarder af transistorer.

"Vi kunne 'høre' det elektroniske klik, da hvert atom faldt ind på et af 10.000 steder i vores prototypeenhed. Vores vision er at bruge denne teknik til at bygge en meget, meget storstilet kvanteanordning," siger professor David Jamieson fra The University fra Melbourne, hovedforfatter af Advanced Materials-papiret, der beskriver processen.

Hans medforfattere er fra UNSW Sydney, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM) og RMIT Microscopy and Microanalysis Facility.

"Vi tror på, at vi i sidste ende kunne lave maskiner i stor skala baseret på enkeltatoms kvantebits ved at bruge vores metode og drage fordel af de fremstillingsteknikker, som halvlederindustrien har perfektioneret," siger han.

Indtil nu har implantering af atomer i silicium været en tilfældig proces, hvor en siliciumchip bliver overhældt med fosfor, som implanteres i et tilfældigt mønster, som regndråber på et vindue.

"Vi indlejrede fosforioner, præcist at tælle hver enkelt, i et siliciumsubstrat, hvilket skabte en qubit-chip", som derefter kan bruges i laboratorieeksperimenter til at teste designs til storskalaenheder."

"Dette vil give os mulighed for at konstruere kvantelogiske operationer mellem store arrays af individuelle atomer og bevare meget nøjagtige operationer på tværs af hele processoren," siger UNSW's Scientia-professor Andrea Morello, en medforfatter af papiret. "I stedet for at implantere mange atomer på tilfældige steder og udvælge dem, der fungerer bedst, vil de nu blive placeret i et ordnet array, svarende til transistorerne i konventionelle halvledercomputerchips."

"Vi brugte avanceret teknologi udviklet til følsomme røntgendetektorer og et specielt atomkraftmikroskop, der oprindeligt blev udviklet til Rosetta-rummissionen sammen med en omfattende computermodel for banen af ​​ioner implanteret i silicium, udviklet i samarbejde med vores kolleger i Tyskland." siger Dr. Alexander (Melvin) Jakob, førsteforfatter af papiret, også fra University of Melbourne.

Denne nye teknik kan skabe mønstre i stor skala af talte atomer, der kontrolleres, så deres kvantetilstande kan manipuleres, kobles og udlæses.

Teknikken udviklet af professor Jamieson og hans kolleger drager fordel af præcisionen af ​​atomkraftmikroskopet, som har en skarp udkrager, der blidt 'rører' overfladen af ​​en chip med en positioneringsnøjagtighed på kun en halv nanometer, omtrent det samme som afstand mellem atomer i en siliciumkrystal.

Holdet borede et lille hul i denne cantilever, så når den blev overhældt med fosforatomer, ville man af og til falde gennem hullet og indlejre sig i siliciumsubstratet.

Nøglen var imidlertid at vide præcis, hvornår et atom - og ikke mere end et - var blevet indlejret i substratet. Så kunne cantileveren flytte til den næste præcise position på arrayet.

Holdet opdagede, at atomets kinetiske energi, når det pløjer ind i siliciumkrystallen og spreder sin energi ved friktion, kan udnyttes til at lave et lille elektronisk "klik."

Det er sådan, de ved, at et atom er indlejret i siliciumet og flytter til den næste præcise position.

"Et atom, der kolliderer med et stykke silicium, giver et meget svagt klik, men vi har opfundet meget følsom elektronik, der bruges til at registrere klikket, det er meget forstærket og giver et højt signal, et højt og pålideligt signal," siger professor Jamieson.

"Det giver os mulighed for at være meget sikre på vores metode. Vi kan sige, "Åh, der var et klik. Et atom er lige ankommet." Nu kan vi flytte cantileveren til det næste sted og vente på det næste atom."

"Med vores Center-partnere har vi allerede produceret banebrydende resultater på enkeltatom-qubits lavet med denne teknik, men den nye opdagelse vil fremskynde vores arbejde med store enheder," siger han.

Hvad er kvanteberegning, og hvorfor er det vigtigt?

Kvantecomputere udfører beregninger ved at bruge de forskellige tilstande af enkelte atomer på den måde, som konventionelle computere bruger bits - den mest grundlæggende enhed af digital information.

Men hvor en bit kun har to mulige værdier - 1 eller 0, sand eller falsk - kan en kvantebit eller qubit placeres i en superposition på 0 og 1. Par af qubits kan placeres i endnu mere ejendommelige superpositionstilstande, f.eks. som "01 plus 10", kaldet entangled states. Tilføjelse af endnu flere qubits skaber et eksponentielt voksende antal sammenfiltrede tilstande, som udgør en kraftfuld computerkode, som ikke findes i klassiske computere. Denne eksponentielle tæthed af information er det, der giver kvanteprocessorer deres beregningsmæssige fordel.

Denne grundlæggende kvantemekaniske særhed har et stort potentiale til at skabe computere, der er i stand til at løse visse beregningsproblemer, som konventionelle computere ville finde umulige på grund af deres kompleksitet.

Praktiske applikationer omfatter nye måder at optimere tidsplaner og økonomi på, ubrydelig kryptografi og beregningsmæssigt lægemiddeldesign, måske endda den hurtige udvikling af nye vacciner.

"Hvis du ville beregne strukturen af ​​koffeinmolekylet, et meget vigtigt molekyle for fysik, kan du ikke gøre det med en klassisk computer, fordi der er for mange elektroner," siger professor Jamieson.

"Alle disse elektroner adlyder kvantefysikken og Schrödinger-ligningen. Men hvis du skal beregne strukturen af ​​det molekyle, er der så mange elektron-elektron-interaktioner, at selv de mest kraftfulde supercomputere i verden i dag ikke kan gøre det.

"En kvantecomputer kunne gøre det, men du har brug for mange qubits, fordi du skal rette tilfældige fejl og køre en meget kompliceret computerkode."

Siliciumchips, der indeholder arrays af enkelte doteringsatomer, kan være det foretrukne materiale til klassiske og kvanteenheder, der udnytter enkeltdonor-spin. For eksempel er gruppe-V-donorer implanteret i isotopisk rensede Si-krystaller attraktive for kvantecomputere i stor skala. Nyttige egenskaber omfatter lange nukleare og elektronspin-levetider for P, hyperfine klokovergange i Bi eller elektrisk kontrollerbare Sb-kernespind.

Lovende arkitekturer kræver evnen til at fremstille arrays af individuelle nær-overflade dopingatomer med højt udbytte. Her anvendes et on-chip detektorelektrodesystem med 70 eV rod-middel-kvadratstøj (≈20 elektroner) til at demonstrere næsten stuetemperatur implantation af enkelte 14 keV P+ ioner.

Fysikmodellen for ion-faststof-interaktionen viser en hidtil uset øvre grænse for enkelt-ion-detektionssikkerhed på 99,85 ± 0,02 % for implantater nær overfladen. Som et resultat er det praktiske kontrollerede siliciumdopingudbytte begrænset af materialetekniske faktorer, herunder overflade-gateoxider, hvori detekterede ioner kan stoppe.

For en enhed med 6 nm gateoxid og 14 keV P+ implantater er en udbyttegrænse på 98,1 % demonstreret. Tyndere gate-oxider tillader denne grænse at konvergere til den øvre grænse. Deterministisk enkelt-ion-implantation kan derfor være en levedygtig materialeingeniørstrategi for skalerbare dopantarkitekturer i siliciumenheder. + Udforsk yderligere

En sammenfiltret tilstand på tre qubit er blevet realiseret i et fuldt kontrollerbart array af spin-qubits i silicium