原子級量子芯片如何制造的？

近日，據外媒報道稱，澳大利亞硅量子計算公司SQC宣布制造出世界上第一個原子級量子集成電路。這是一個包含經典計算機芯片上所有基本組件的電路，但體量是在量子尺度上。目前相關成果論文已發表在最新的《自然》雜志上。 “這是一個重大突破，”SQC創始人Michelle Simmons表示，“由于原子之間可能存在大量相互作用，如今的經典計算機甚至難以模擬相對較小的分子。SQC原子級電路技術的開發將使公司及其客戶能夠為一系列新材料構建量子模型，無論是藥物、電池材料還是催化劑。用不了多久，我們就可以開始發現以前從未存在過的新材料。

值得一提的是，除了體量上的突破，這項成果還首次解決了著名理論物理學家理查德·費曼在63年前提出的一個難題：費曼曾在1959年演講《Plenty of Room at the Bottom》中斷言，如果你想了解大自然是如何運作的，那么你必須能夠在構成物質的相同長度尺度上控制物質。也就是說，你必須能夠在原子的長度尺度上控制物質。這一難題整整困擾了人們60多年，直到今天，SQC團隊才證實了費曼的猜想，即利用硅中的原子組成，構建了世界上首個原子級量子集成電路。

原子級量子芯片如何制造的？

眾所周知，常見的量子計算芯片中，無論是超導、離子阱，還是光子芯片，都是肉眼可見的。而原子級量子集成電路，則需要通過掃描隧道顯微鏡等工具才能一探究竟。那么SQC團隊是如何做到的呢？ 簡單概括來看，為了制造出原子級的量子集成電路，SQC需要實現三項原子級技術：1．制造出尺寸均勻的小原子點；2．不僅要能單獨調整每個量子點的能級，也可以集體調整全部量子點的能級；3．能夠在亞納米的精度上控制量子點之間的距離，使其距離足夠近，但又保持獨立性。 據悉，通過以亞納米精度將原子置于硅中，SQC團隊能夠模擬聚乙炔鏈的單碳鍵和雙碳鍵。首先，從硅晶片開始，SQC團隊設計了磷原子的小點（稱為“量子點”），其尺寸和間距嚴格一致，以模擬分子中碳原子的鍵和能級。

（掃描隧道顯微鏡下的SQC原子級量子集成電路圖像） 其次，使用納米級精度，SQC團隊添加了六個控制電極（G1－G6），以單獨調整每個點的能級，并共同調整所有10個量子點，以完全控制電子在聚乙炔鏈中的位置。通過添加源極 （S） 和漏極 （D） 引線，研究人員可以測量當電子通過10量子點鏈時通過設備的電流。 除此之外，通過將聚乙炔模型嵌入到原子級設備中，并測量通過它的電流，他們表明該設備的表現與預測的一樣出色的聚乙炔模型，包括觀察同時存在于兩個地方的電子。 該項成果論文日前已發表在最新的《自然》雜志上。在論文中，SQC稱，其在原子級精密制造和控制方面的領先地位使其能夠在其位于悉尼新南威爾士大學的內部制造設施中構建模擬量子處理器。

在制造出用作模擬量子處理器的原子級集成電路后，SQC團隊用這種量子處理器精確地模擬了一個小的有機聚乙炔分子的量子態，從而證明了他們的量子系統建模技術的有效性。通過精確控制原子的量子態，新處理器可模擬分子的結構和特性，有望幫助科學家“解鎖”未來的全新材料和催化劑。 據悉，聚乙炔是一種由碳和氫原子組成的重復鏈，其結構包括單雙鍵交替的共軛結構，目前可用于制備太陽能電池、半導體材料和電活性聚合物等。

（聚乙炔結構圖）

量子計算市場熱潮不減

就在前不久，SQC宣布啟動1．3億澳元（約9000萬美元）的A輪融資，為該公司2023年至2028年的技術開發、運營和戰略活動提供資金。如果完成融資，這將創造硅基量子計算公司單筆融資最高記錄。 據了解，SQC由新南威爾士大學量子物理科學教授Michelle Simmons于2017年創立，該公司當時獲得了澳大利亞聯邦政府、新南威爾士州政府、澳大利亞電信（Telstra）、澳大利亞聯邦銀行（CBA）和新南威爾士大學8300萬澳元的種子資金支持。今年7月1日，Simmons將正式擔任SQC的首席執行官。

SQC計劃到21世紀30年代制造出一臺廣泛有用的量子計算機，這個過程中的關鍵里程碑包括到2023年展示可靠生產10量子比特原型量子集成處理器所需的能力，并在2030年之前提供基于100量子比特量子處理器的實現糾錯的可編程設備。 在進行復雜的計算和決策方面，量子計算機將被證明比經典計算機強大得多，SQC的企業支持者不僅是為了潛在的豐厚的未來財務回報，也是為了學習和影響發展。 Simmons認為：“總的來說，我認為量子計算市場目前非常熱門和活躍，所以從量子的角度來看，這是一個好時機。作為一家公司，我們已經取得了一些驚人的成果，我們將很快公布，而（融資）是我們里程碑的一部分，所以這是我們前進的好時機?！?雖然Simmons教授還不能公開討論細節，但她相信即將公布的“重大里程碑”將在投資者中引起興奮，并在澳大利亞制造業產生反響。

審核編輯：黃飛