从沙滩到比特再到量子比特——硅在量子计算中的历程

内部简报

• 硅从海滩沙子到量子处理器的演进之路，描绘了从 1950 年代晶体管掺杂到高纯度自旋量子比特的连续弧线。
• 1998 年的两项提案，即 Loss-DiVincenzo 的量子点量子比特和 Kane 的磷供体量子比特，押注硅制造基础可以实现量子硬件的工业化构建。
• Diraq、imec 和 Silicon Quantum Computing 现在已达到离子阱保真度基准，尽管物理量子比特数量仍落后于竞争平台。

人类制造事物的能力决定了各个时代的进步。从石器时代到青铜时代和铁器时代，我们从一种材料跨越到另一种材料，每种材料都让我们能够完成以前无法完成的事情。随着时间的推移，这些跨越在发现、工艺和生产方面变得越来越复杂。

与前代材料一样，定义现代时代的材料随处可见：沙子。但沙子本身是惰性的。通过比以往任何时代都更严格的工艺对其进行处理，产出的东西是之前任何时代的材料都无法提供的：一种纯净到足以用于思考的基板——硅。

两条硅线索

如今，半导体行业每天生产的晶体管数量比人体细胞还要多。从我们的智能手机到数据中心，几乎我们遇到的每项技术都运行在采用经过数十年精炼的工艺制造的硅芯片上。

第一个硅晶体管研制于 1954 年。到 1980 年代和 90 年代，半导体行业已变得极其擅长控制硅及相关材料中的电子。当时，还没有人考虑量子计算；缩小晶体管尺寸的需求驱动了该行业的增长。

但这一时期的两项特殊发展后来被证明对量子计算至关重要：

• 异质结构和 2D 电子气，研究人员将电子限制在两个半导体层界面处的 2D 片层中。用于在这些超洁净、超冷环境中捕获和操纵电子的技术成为了量子点的基础。
• 单电子晶体管，研究人员制造了足够灵敏的器件来控制单个电子的运动。虽然最初是为了超低功耗经典逻辑而研发的，但这证明了我们可以在固态器件中隔离并操纵单个电子。这种能力是自旋量子比特的字面先决条件。

从理论到证明

从“隔离单个电子的能力”到“用它们进行计算”的转折点源于 1998 年的两项里程碑式提案：

• 物理学家 Daniel Loss 和 David DiVincenzo 提议使用捕获电子的自旋作为量子比特。在这里，耦合在一起的相邻量子点执行双量子比特门。
• 澳大利亚新南威尔士大学 UNSW 的博士后研究员 Bruce Kane 提议将磷原子植入硅中。他的提案建议使用供体电子（或磷原子核本身）的自旋作为量子比特。该方案直接借鉴了硅制造技术。

这些论点在随后的几年里变得更加尖锐。摩尔定律驱动的小型化最终将使晶体管缩小到只有几十个原子宽。在这种尺度下，量子物理学占据主导地位，阻碍了晶体管的可靠运行，从而限制了传统计算未来的进步前景。反过来，这加强了探索摩尔定律之外的硅的理由。然而，理论超越实验十多年之久：2005 年演示了第一个工作的自旋量子比特，不是在硅中，而是在砷化镓中，从实验上证明了 Loss-Divincenzo 概念。