新近发表的两项研究表明，硅量子比特的精度和寿命现在适用于大型量子计算机。

 

单个原子存储数据的时间大大增加，这意味着硅可能再次在超高速计算机的发展中扮演至关重要的角色。

 

自20世纪50年代发明以来，硅芯片彻底改变了日常生活的方方面面。它改变了我们相互交流的方式，也改变了我们操作几乎所有日常用品的方式，从汽车到飞机，从冰箱到电视，还有我们的智能手机和平板电脑。

其原因在于，硅可以被“精心制作”成令人眼花缭乱的复杂电子结构和器件阵列，例如每个硅芯片中包含的十亿个晶体管。

 

虽然现代计算机使用这些硅芯片(或集成电路)来执行一系列复杂的计算，但仍有一些重要的问题是现有计算机无法解决的。

 

例如，医学研究人员希望能够利用计算机辅助设计发明新的药物，就像汽车工程师设计新汽车一样，但他们今天无法做到这一点。天富代理主管

 

原因是组成药物的分子不是像汽车那样的“宏观”物体，而是生活在计算起来复杂得多的“微观”或量子世界中。

 

事实上，我们今天所知道的任何计算机都不可能正确地设计出这样的分子系统。因此，我们必须求助于一种新型计算机——量子计算机——用于计算的“比特”数据本身就存储在量子粒子中，比如单个原子或电子。

 

这种量子计算机还有望解决其他重要问题，如搜索大型数据集，或解决复杂的金融问题。

 

寻找最好的量子位

 

在过去20年左右的时间里，世界各地的研究人员一直在探索一系列不同的物理系统，以充当这种量子计算机中的“量子比特”。现在看来，支撑了先前信息革命的硅很可能成为下一个量子革命的关键。

 

在过去的三年里，我们在新南威尔士大学的两个研究团队已经证明，硅可以用来制造有效的量子比特。特别的是，我们发现一个磷原子可以紧紧地抓住一个电子，而电子也具有“自旋”(就像一个小磁铁)，可以用作量子比特。但是存储在电子自旋上的二进制代码(0或1)被迅速打乱，形成了一个相当糟糕的量子位。天富代理主管

 

磷原子的核心还包含一个核自旋，由于它对周围环境噪声的敏感性非常弱，它可以作为一个出色的存储量子比特。

 

即便如此，当放入“天然”硅芯片时，磷核自旋在不到一秒的时间内就会丢失编码在其上的量子信息。

 

存储时间增加

 

发表在《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)上的一项新研究表明，硅量子比特的精确度和寿命现在已经达到了适合制造大规模量子计算机的水平。这两篇论文分别来自我们的团队和荷兰与美国的合作。

 

我们在澳大利亚的团队使用了一种特别纯化的硅，它只含有一种同位素，叫做Si-28。

 

这个同位素是完全无磁性的，因为它的原子核没有自旋。纯化Si-28芯片的电学特性与天然硅的电学特性相同，因此它同样适用于任何电子设备。

 

但当一个电子或核自旋量子比特在纯Si-28中配置时，由于没有磁噪声，我们可以以前所未有的精度存储和操纵量子态。

 

在一篇新发表的论文中，我们的团队证明，我们可以对捕获在“人工原子”中的单个电子进行量子逻辑运算，这种“人工原子”是由芯片表面的小金属电极产生的。

 

这些器件与现有的硅晶体管非常相似，为商业制造提供了很大的希望。多亏了超纯Si-28，我们现在可以达到超过99%的量子运算精度。这个精度是重要的，因为它超过了最低要求，以确保(罕见的)错误可以使用特殊代码纠正。

 

在另一篇论文中，我们报告了在同一种Si-28材料中磷“天然原子”的电子自旋的操作，其准确性也达到了99%以上。

 

此外，随着磷的核自旋，我们建立了新的世界纪录，量子信息可以保存在一个固态量子比特上的时间超过35秒，这在量子世界里是一个永恒。手术的准确率达到了惊人的99.99%。