原子对原子：新的硅计算机芯片技术开启了量子计算构建的可能性

量子计算机可以使用由研究团队完善的新技术以廉价可靠的方式构建，该新技术将单个原子嵌入硅晶圆片中，逐一镜像用于构建传统设备。到目前为止，在硅中植入原子一直是一个随意的过程。

该技术可以创建受控的计数原子的大规模模式，以便其量子状态可以被操纵、耦合和读出。

量子计算机可以使用墨尔本大学领导的团队完善的新技术，在硅片中嵌入单个原子，一个接一个地镜像方法来构建传统设备，这是在高级材料论文中概述的。

这项新技术由David Jamieson教授和来自悉尼新南威尔士州、Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）、Leibniz表面工程研究所（IOM）和RMIT的合著者开发，可以创建受控制的计数原子的大规模模式，以便其量子状态可以被操纵、耦合和读出。

论文的主要作者Jamieson教授说，他的团队的愿景是使用这种技术来构建一个非常非常大规模的量子设备。

Jamieson教授说：“我们认为，通过使用我们的方法并利用半导体行业完善的制造技术，我们最终可以制造基于单原子量子位的大型机器。”

该技术利用了原子力显微镜的精度，该显微镜具有锋利的悬臂，响应芯片表面上方的力场，定位精度仅为半纳米，与硅晶体中原子之间的间距大致相同。

该团队在这个悬臂上钻了一个小洞，这样当它被磷原子淹没时，人们偶尔会掉进洞里，嵌入硅基质中。

关键是确切知道一个原子——不超过一个——何时嵌入基板。然后悬臂可以移动到数组上的下一个精确位置。

研究小组发现，原子在钻入硅晶体并通过摩擦耗散其能量时的动能可以被利用来进行微小的电子“点击”。

Jamieson教授说，当每个原子掉入原型设备中的10,000个站点之一时，团队可以“听到”电子点击。

Jamieson教授说：“一个原子与一块硅碰撞会产生非常微弱的咔嗒声，但我们发明了非常敏感的电子产品来检测咔嗒声，它被放大了很多，并发出响亮的信号，响亮而可靠的信号。”

“这使我们能够对我们的方法充满信心。我们可以说：“哦，有咔嗒声。一个原子刚到。现在我们可以把悬臂移到下一个位置，然后等待下一个原子。”

到目前为止，在硅中植入原子一直是一个随意的过程，硅芯片会沐浴在磷上，磷以随机模式植入，就像窗户上的雨滴一样。

新南威尔士大学的联合作者、科学教授Andrea Morello表示，新技术将磷离子嵌入硅基板中，精确计数每个离子，形成量子位元“芯片”，然后可用于实验室实验，以测试大型设备的设计。

Morello教授说：“这将使我们能够在单个原子的大型阵列之间设计量子逻辑操作，同时在整个处理器中保持高度精确的操作。”

“现在，它们不会将许多原子植入随机位置并选择效果最好的原子，而是被放置在一个有序的阵列中，类似于传统半导体计算机芯片中的晶体管。”

第一作者，墨尔本大学的亚历山大博士（梅尔文）雅各布说，合作使用了高度专业化的设备。

Jakob博士说：“我们使用了为敏感X射线探测器开发的先进技术和最初为Rosetta空间任务开发的特殊原子力显微镜，以及与我们在德国的同事合作开发的植入硅中的离子轨迹的综合计算机模型。”

“与我们的中心合作伙伴一起，我们已经在使用该技术制作的单原子量子比特上取得了突破性的结果，但这一新发现将加快我们在大型设备上的工作。”

量子计算机的实际影响包括优化时间表和财务的新方法、牢不可破的密码学和计算药物设计，以及疫苗的可能快速开发。

该报告的共同作者来自悉尼新南威尔士州、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹-宗特鲁姆（HZDR）、莱布尼茨表面工程研究所（IOM）和罗马理工大学的显微镜和微观分析设施。

该项目由澳大利亚研究委员会量子计算和通信技术英才中心、美国陆军研究办公室、墨尔本大学研究和基础设施基金的赠款资助，并使用了墨尔本纳米制造中心的澳大利亚国家制造设施。