原子级量子芯片如何制造的？

近日，据外媒报道称，澳大利亚硅量子计算公司SQC宣布制造出世界上第一个原子级量子集成电路。这是一个包含经典计算机芯片上所有基本组件的电路，但体量是在量子尺度上。目前相关成果论文已发表在最新的《自然》杂志上。 “这是一个重大突破，”SQC创始人Michelle Simmons表示，“由于原子之间可能存在大量相互作用，如今的经典计算机甚至难以模拟相对较小的分子。SQC原子级电路技术的开发将使公司及其客户能够为一系列新材料构建量子模型，无论是药物、电池材料还是催化剂。用不了多久，我们就可以开始发现以前从未存在过的新材料。

值得一提的是，除了体量上的突破，这项成果还首次解决了著名理论物理学家理查德·费曼在63年前提出的一个难题：费曼曾在1959年演讲《Plenty of Room at the Bottom》中断言，如果你想了解大自然是如何运作的，那么你必须能够在构成物质的相同长度尺度上控制物质。也就是说，你必须能够在原子的长度尺度上控制物质。这一难题整整困扰了人们60多年，直到今天，SQC团队才证实了费曼的猜想，即利用硅中的原子组成，构建了世界上首个原子级量子集成电路。

原子级量子芯片如何制造的？

众所周知，常见的量子计算芯片中，无论是超导、离子阱，还是光子芯片，都是肉眼可见的。而原子级量子集成电路，则需要通过扫描隧道显微镜等工具才能一探究竟。那么SQC团队是如何做到的呢？ 简单概括来看，为了制造出原子级的量子集成电路，SQC需要实现三项原子级技术：1．制造出尺寸均匀的小原子点；2．不仅要能单独调整每个量子点的能级，也可以集体调整全部量子点的能级；3．能够在亚纳米的精度上控制量子点之间的距离，使其距离足够近，但又保持独立性。 据悉，通过以亚纳米精度将原子置于硅中，SQC团队能够模拟聚乙炔链的单碳键和双碳键。首先，从硅晶片开始，SQC团队设计了磷原子的小点（称为“量子点”），其尺寸和间距严格一致，以模拟分子中碳原子的键和能级。

（扫描隧道显微镜下的SQC原子级量子集成电路图像） 其次，使用纳米级精度，SQC团队添加了六个控制电极（G1－G6），以单独调整每个点的能级，并共同调整所有10个量子点，以完全控制电子在聚乙炔链中的位置。通过添加源极 （S） 和漏极 （D） 引线，研究人员可以测量当电子通过10量子点链时通过设备的电流。 除此之外，通过将聚乙炔模型嵌入到原子级设备中，并测量通过它的电流，他们表明该设备的表现与预测的一样出色的聚乙炔模型，包括观察同时存在于两个地方的电子。 该项成果论文日前已发表在最新的《自然》杂志上。在论文中，SQC称，其在原子级精密制造和控制方面的领先地位使其能够在其位于悉尼新南威尔士大学的内部制造设施中构建模拟量子处理器。

在制造出用作模拟量子处理器的原子级集成电路后，SQC团队用这种量子处理器精确地模拟了一个小的有机聚乙炔分子的量子态，从而证明了他们的量子系统建模技术的有效性。通过精确控制原子的量子态，新处理器可模拟分子的结构和特性，有望帮助科学家“解锁”未来的全新材料和催化剂。 据悉，聚乙炔是一种由碳和氢原子组成的重复链，其结构包括单双键交替的共轭结构，目前可用于制备太阳能电池、半导体材料和电活性聚合物等。

（聚乙炔结构图）

量子计算市场热潮不减

就在前不久，SQC宣布启动1．3亿澳元（约9000万美元）的A轮融资，为该公司2023年至2028年的技术开发、运营和战略活动提供资金。如果完成融资，这将创造硅基量子计算公司单笔融资最高记录。 据了解，SQC由新南威尔士大学量子物理科学教授Michelle Simmons于2017年创立，该公司当时获得了澳大利亚联邦政府、新南威尔士州政府、澳大利亚电信（Telstra）、澳大利亚联邦银行（CBA）和新南威尔士大学8300万澳元的种子资金支持。今年7月1日，Simmons将正式担任SQC的首席执行官。

SQC计划到21世纪30年代制造出一台广泛有用的量子计算机，这个过程中的关键里程碑包括到2023年展示可靠生产10量子比特原型量子集成处理器所需的能力，并在2030年之前提供基于100量子比特量子处理器的实现纠错的可编程设备。 在进行复杂的计算和决策方面，量子计算机将被证明比经典计算机强大得多，SQC的企业支持者不仅是为了潜在的丰厚的未来财务回报，也是为了学习和影响发展。 Simmons认为：“总的来说，我认为量子计算市场目前非常热门和活跃，所以从量子的角度来看，这是一个好时机。作为一家公司，我们已经取得了一些惊人的成果，我们将很快公布，而（融资）是我们里程碑的一部分，所以这是我们前进的好时机。” 虽然Simmons教授还不能公开讨论细节，但她相信即将公布的“重大里程碑”将在投资者中引起兴奋，并在澳大利亚制造业产生反响。

审核编辑：黄飞