硅中工程原子阵列的艺术表现。在这个例子中，阵列的每个位点都承载着两个紧密间隔的锑原子。这个原子对可以作为构建块，通过单个电子门实现和控制多达六个核自旋量子比特。图片来源：托尼·梅洛夫
无论是我们的手机、汽车、电视、医疗设备，甚至是洗衣机，我们现在到处都有电脑。
使用更大的计算机，我们可以解决更大的问题，例如管理电网的运行、设计飞机、预测天气或提供不同类型的人工智能 （AI）。
但所有这些机器都是通过使用经典技术以 1 和 0（位）的形式处理数据来工作的，这些技术自古代发明算盘以来就没有改变过。
实现量子计算的优势人类孜孜不倦的技术进步现在让我们面临的问题是，即使使用最强大的经典超级计算机也无法解决。
为了应对这些挑战，我们需要一台量子计算机。通过采用量子力学的奇怪规则，我们可能能够使许多领域受益，包括疫苗和药物设计、金融风险管理、工业数据处理、安全数据和通信系统以及机器学习和人工智能。
量子计算机以量子比特或“量子比特”的形式存储信息。量子比特可以是具有两种或多种状态的任何量子对象，例如，可以处于自旋向上或自旋向下状态的单个电子。
使用微波或激光束，这些量子比特可以纵，甚至可以进入 1 和 0 的量子力学混合物状态，这种情况称为“叠加”。这种多功能性为量子计算机的惊人潜力构建了框架。
量子计算机可以处理计算任务，因此可以在数小时内完成原本不可能的计算（在经典超级计算机上需要几个世纪的过程）。
但是，解决与社会相关的复杂计算问题需要一台强大的量子计算机，其芯片架构、尺寸和复杂性可与最先进的经典处理器相媲美。
换句话说，具有大量物理量子比特的量子处理器，以有序数组或“可缩放数组”排列。
构建量子设备硅由海滩沙制成，是当今信息技术行业的关键材料，因为它是一种用途广泛的半导体。
我们已经在构建由硅制成的量子器件，这些硅由掺杂剂原子设计而成，掺杂原子是有意从其他元素中添加的杂质，以改变硅的特性。
我们已经展示了如何使用量子态对这些设备进行编程，以形成量子计算机的量子比特。
但是，到目前为止的障碍是，量子比特非常容易受到环境中的微小缺陷的影响，即使这些缺陷也会导致量子比特丢失其信息（称为退相干），需要重置计算。
我们之前的工作表明，由硅中的掺杂原子制成的量子比特在暴露于环境变化时非常耐用。
现在，我们发表在《先进材料》上的最新研究展示了如何在硅芯片中构建大型单掺杂原子阵列，这可以构成稳健量子计算机的基础。
硅及其掺杂原子用于制造耐用量子比特的理想属性允许在即将到来的量子时代为新用途调整标准硅制造工艺。
我们的发现是一种构建注入硅器件的大规模有序原子阵列的方法。但不仅仅是任何原子。我们的突破在于如何从有希望成为新量子比特候选者的元素中制作这些数组。
将掺杂原子注入硅是制造硅芯片的标准技术。
我们发现，如果我们为硅芯片配备微小的表面电极，我们可以可靠地从单个原子停止在芯片中时产生的电信号中记录单个原子的注入。
这些信号被发现非常强，使我们能够以非常高的保真度在硅器件中构建原子阵列。
现在，新的物理量子比特（包括锑、铋和锗）提供了强大的功能，为硅量子计算机提供了新的选择。
在硅中制作可扩展的供体阵列正如我们的新论文所表明的那样，该技术甚至适用于双原子锑分子，因此每个注入事件都会导致紧密间隔的锑原子对。
这些量子比特对能够托管许多高质量的物理量子比特，这些量子比特可以通过单个电子门（称为“多量子比特门操作”）进行控制。
既然我们已经证明我们的新技术有效，那么最重要的下一步是从原子阵列构建量子处理器，这些原子阵列配置了必要的电路来编程和控制量子比特交互。
从成熟的工业制造工具开发出的可扩展原子阵列的能力使硅（经典计算中最重要的元素）适应构建可靠的量子计算机。
更多信息：Alexander M. Jakob 等人，用于硅中基于自旋的量子计算机的可扩展原子阵列，先进材料（2024 年）。DOI： 10.1002/adma.202405006
期刊信息： Advanced Materials
