由《公共科学》杂志编辑
墨尔本大学领导的团队已经完善了一种技术，可以将单个原子一个接一个地嵌入硅片中
学分:墨尔本大学 墨尔本大学领导的一个团队已经完善了一种将单个原子逐个嵌入硅片的技术
他们的技术提供了用同样的方法制造量子计算机的潜力，这些方法已经给了我们包含数十亿个晶体管的廉价和可靠的传统设备
“当每个原子落入我们的原型装置中的一万个位置时，我们可以‘听到’电子的咔嗒声
墨尔本大学的大卫·贾米森教授是《先进材料》论文的主要作者，他描述了这一过程
他的合著者来自UNSW悉尼、亥姆霍兹-曾特朗德累斯顿-罗森多夫、莱布尼茨表面工程研究所和RMIT显微和微量分析设备
他说:“我们相信，通过使用我们的方法，并利用半导体工业已经完善的制造技术，我们最终能够制造基于单原子量子比特的大规模机器。”
直到现在，在硅中植入原子一直是一个偶然的过程，硅芯片被大量的磷以随机的方式植入，就像窗户上的雨滴
“我们在硅衬底中嵌入磷离子，精确地计算每一个磷离子的数量，制造出一个量子比特芯片”，然后可以在实验室实验中用于测试大规模器件的设计
" 该论文的共同作者、UNSW的科学教授安德里亚·莫瑞罗说:“这将使我们能够在单个原子的大阵列之间设计量子逻辑运算，在整个处理器中保持高度精确的运算。”
“与其在随机位置植入许多原子并选择最有效的原子，现在它们将被有序地排列，类似于传统半导体计算机芯片中的晶体管
" “我们使用了为灵敏的X射线探测器开发的先进技术和最初为罗塞塔太空任务开发的特殊原子力显微镜，以及与德国同事合作开发的用于离子注入硅的轨迹的综合计算机模型，”博士说
亚历山大(梅尔文)雅各布，论文的第一作者，同样来自墨尔本大学
这种新技术可以创建受控的计数原子的大规模图案，从而可以操纵、耦合和读出它们的量子状态
贾米森教授和他的同事开发的技术利用了原子力显微镜的精度，这种显微镜有一个尖锐的悬臂，轻轻“接触”芯片表面，定位精度只有半纳米，大约等于硅晶体中原子之间的间距
研究小组在这个悬臂上钻了一个小洞，这样当它被磷原子淋洒时，人们会偶尔从洞里掉下来，并嵌入硅衬底中
然而，关键是准确地知道一个原子——而不超过一个——何时嵌入基底中
那么悬臂可以移动到阵列上的下一个精确位置
研究小组发现，当原子冲入硅晶体并通过摩擦耗散能量时，其动能可以被利用来发出微小的电子“咔哒”声
" 这就是他们如何知道一个原子已经嵌入硅中，并移动到下一个精确的位置
杰米森教授说:“一个原子与一块硅碰撞时发出非常微弱的咔哒声，但我们发明了非常灵敏的电子设备来检测咔哒声，它被放大了很多，并发出响亮的信号，一个响亮而可靠的信号。”
“这让我们对自己的方法非常有信心
我们可以说，“哦，咔嚓一声
一个原子刚刚到达
“现在我们可以将悬臂移动到下一个位置，等待下一个原子
" “与我们的中心合作伙伴一起，我们已经在用这种技术制造的单原子量子比特上取得了突破性的成果，但是新的发现将加速我们在大规模设备上的工作，”他说
什么是量子计算，为什么重要？ 量子计算机通过使用单个原子的不同状态来执行计算，就像传统计算机使用比特一样——比特是数字信息的最基本单位
但是，尽管一个比特只有两个可能的值——1或0，真或假——一个量子比特，或者说量子比特，可以放在0和1的叠加中
成对的量子比特可以被放置在更奇特的叠加态中，比如“01加10”，被称为纠缠态
添加更多的量子比特会产生指数级增长的纠缠态，这构成了经典计算机中不存在的强大的计算机代码
这种指数级的信息密度赋予了量子处理器计算优势
这种基本的量子力学的奇特之处具有巨大的潜力，可以创造出能够解决某些计算问题的计算机，而传统计算机由于其复杂性而无法解决这些问题
实际应用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，甚至可能是新疫苗的快速开发
贾米森教授说:“如果你想计算咖啡因分子的结构，这是一个对物理学非常重要的分子，你不能用经典的计算机来计算，因为电子太多了。”
“所有这些电子都服从量子物理和薛定谔方程
但是如果你要计算那个分子的结构，有那么多的电子-电子相互作用，即使是当今世界上最强大的超级计算机也做不到
“量子计算机可以做到这一点，但你需要许多量子比特，因为你必须纠正随机错误，运行非常复杂的计算机代码
" 含有单掺杂原子阵列的硅片可以成为利用单施主自旋的经典和量子器件的首选材料
例如，植入同位素纯化的硅晶体中的第五族供体对大规模量子计算机很有吸引力
有用的属性包括长的核和电子自旋寿命，铋或电可控锑核自旋的超精细时钟跃迁
有前途的结构要求能够以高产率制造单个近表面掺杂原子的阵列
这里，使用具有70 eV均方根噪声(≈20个电子)的片上检测器电极系统来演示单个14 keV P+离子的近室温注入
离子-固体相互作用的物理模型显示出前所未有的99%的单离子探测置信上限
85 0
近表面植入物为02%
结果，实际的受控硅掺杂产量受到材料工程因素的限制，包括检测到的离子可能停止的表面栅极氧化物
对于具有6纳米栅极氧化物和14千电子伏P+注入的器件，98
演示了1%
较薄的栅极氧化物允许该极限收敛到上限
因此，确定性单离子注入可以成为硅器件中可扩展掺杂剂结构的可行材料工程策略
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