99.9999%超纯度硅为量子计算铺路
来源：科技日报：2014年08月15日
用于提纯硅的装置。
硅沉积室的内部。
科技日报讯 （记者陈丹）继去年获得纯度高达5个9（99.9998%）的硅后，美国国家标准与技术研究院的团队又一次刷新纪录：他们使用一项相对简单的技术，生产出了可能是目前纯度最高的硅，该材料99.9999％以上的成分为硅28，仅有不到百万分之一为不确定的同位素硅29。
许多量子计算方案需要同位素纯硅，比如用作衬底，在其上嵌入量子位（存储信息的量子比特）。项目负责人、该研究院物理测量实验室量子工序和计量学组的乔希·波默罗伊表示，“眼下面临的真正挑战是如何让这种非结晶的高纯度硅成为晶片或外延层所使用的硅的形式”，这是构建实用量子信息系统最终所必需的。在这方面他们已经取得了一定的成功，能够让这种高纯度硅生长成为近乎完美的晶体。
要满足大部分量子计算目的，需要纯度至少达99.99%的硅28，但这种硅目前还无法通过可靠的商业来源获取。天然非高纯度硅中含有大约92％的硅28，另有大约4.7％的同位素硅29。但硅29的存在是量子计算必须克服的一个难题，因为它会导致量子信息的崩溃，也就是量子比特的“退相干”。硅29的含量每减少10倍，相干时间便可延长10倍。
为了进一步提纯硅28，研究小组采用了一种类似质谱分析的技术。据物理学家组织网8月13日（北京时间）报道，他们先用高压将自然界中含量丰富的硅烷气体中的硅原子电离并萃取出来，然后使其通过磁场，这会导致离子的轨道弯曲，而曲率半径取决于离子的质量，因此硅28和硅29会分离成不同的光束。接着，硅28离子束被引导到一个约1平方厘米的非高纯度硅基底上，以方便收集硅28离子。相比其他生产高提纯硅的最先进技术，比如旨在利用一个高纯度硅28制造的完美球体来定义千克标准的国际阿伏伽德罗项目，这种方法要简单得多。
不过，不论是经典计算还是量子计算，都需要具有规则晶体结构的高纯度硅，这是因为非晶硅充满悬空键、氧分子和其他杂质，导致其电性能不佳。为了获得晶体硅样品，研究人员让硅28在一个加热到1250摄氏度高温的非高纯度晶体硅衬底上生长，结果这种高纯度硅几乎能够完美地模仿衬底的结构。他们原本预计这个加热步骤会降低晶片的纯度，但出乎意料的是，当一份样品被升温到600摄氏度时，或许是由于真空压力，其纯度竟然提高了10倍，达到了6个9（99.9999%）。这种超高纯度的硅可应用于所有采用硅基量子比特的量子系统。波默罗伊的团队计划通过测试其电子性能，进一步改进并验证这种硅是否真的有助于保持相干性。
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硅有很多同位素，针对硅28这一种同位素的纯化，比制作太阳能电池板的硅晶体那种元素级别上的提纯，在技术难度上高多个数量级。科学家如此绞尽脑汁，为的是减少外部环境作用引起的量子相干性衰减，即退相干。量子计算用到的最重要量子特质便是相干性，从而让彼此有关的量子比特串列作为一个整体来动作，如果相干性保持的时间不够长，就无法完成计算。本项研究试图通过材料革新来延长退相干时间，来解决量子高速运算的最关键问题。
