制造更好量子比特的竞赛

量子计算的最大挑战之一是让量子位持续足够长的时间来做一些有用的事情。经过几十年的研究，现在似乎有了切实的进展。

任何新的半导体技术所面临的挑战都是在不抛弃半个世纪以来在其他领域取得的进步的情况下，将性能提高一个或多个数量级。量子比特基于硅量子点之所以具有吸引力，部分原因在于半导体行业已经开发出成熟的工业流程，可以制造大量几乎相同的器件。同样，工业界在掺杂原子的放置、操作和表征方面也有丰富的经验。

1998年，当时是新南威尔士大学高级研究员的布鲁斯·凯恩(目前是马里兰大学的研究人员)，提出了量子比特的使用基于掺杂原子自旋。[1]磷最丰富的同位素，³¹P表示电子和核的自旋为1/2。2009年，研究人员证明了利用磁场初始化这样的量子位，在自旋极化中达到优于99%的电子³¹P在低温下，[2]

基于磷供体原子的量子比特可能提供极高的相干时间。华威大学(University of Warwick)副教授加文·莫雷(Gavin Morley)在一篇全面的综述中观察到，在孤立原子中，原子的能量会降低电子自旋持续存在长达10秒，而核自旋稳定长达3小时。[3]虽然与相邻量子位的相互作用降低了这个值，但基于供体的量子位具有比许多替代方案更长的相干时间的潜力。

提出了量子比特的设计，基于交换相互作用该技术将两个供体原子放置在很近的位置，并用一个门来控制它们之间的相互作用。由于交换相互作用依赖于两个相邻原子的波函数之间的重叠，新南威尔士大学量子工程教授安德里亚·莫雷罗(Andrea Morello)和他的同事解释说，这是正确的相当强劲，但也非常依赖距离。[4]基于交换的量子比特要求原子之间的距离小于15纳米。在供体原子、它们的邻居和控制门之间的间隔中，即使只有几纳米的可变性也会影响量子位的行为。新南威尔士大学的研究人员Benoit Voisin和他的同事在一份报告中指出最近的文章在MRS公报中提到，直到最近才有可能通过实验来检查这种短程相互作用短程有序和无序对量子设备的影响尚不完全清楚。

然而，很明显，在如此近的距离上放置供体原子、控制电子器件和适当的读出机制是一个具有挑战性的问题。从理论上讲，可以垂直组织控制和读出元件，使用交叉排列将读出晶体管放置在它们相关的量子位之上。在实践中，桑迪亚国家实验室的研究人员Ezra Bussmann及其同事指出制造业的巨大改善将需要有能力使设备与原子公差对齐，并在商业上合理的时间内制造它们

基于远距离相互作用的设备可能使制造更简单。例如，莫雷罗小组描述了依赖于单个供体原子的电子自旋的量子位，由电子自旋共振控制。电子相对于其供体原子的位移产生了偶极子，其方向可以由磁场控制。这些“触发器”量子比特比基于交换的量子比特更容易制造，但仍然需要精确控制供体原子的位置。

商用离子注入工具将离子放置在由光刻胶特征边缘定义的概率分布中。光刻胶的尺寸取决于光刻工艺的可变性，然后泊松统计在光刻特征中定义离子的位置。传统的离子注入方法在离子注入时产生3nm到10nm的不确定性。相反，研究基于供体的量子比特的研究人员通常使用一种Bussmann称为原子精密增材制造(APAM)的工艺。

APAM从一个端氢硅片开始。STM尖端选择性地去除氢原子并放置PH值_3.产生的开口中的分子。这些分子分解产生磷原子，磷原子被封装的硅层冻结在原地。虽然这项技术的准确性无人能及，但速度极慢。写入速度受到STM尖端可用电流的限制，只有大约10平方英尺。nm /秒。完成一个设备可能需要几个小时。显然，任何实现多量子比特集成的途径，更不用说商业应用了，都需要更高效的制造工具。

Morello讨论了确定性离子注入的可能方法，例如通过检测注入离子耗散的能量，并使用AFM尖端标记位置。另外，STM尖端阵列可以并行制造许多器件。

为计算、内存和传感器读取量子比特
不管具体的量子位设计如何，单电子晶体管都可以用作读出器件。在磁场中，载流子输运与自旋有关。具有所需自旋的载流子可以隧穿到晶体管中，产生电荷信号，而其他载流子则不能。同样的机制也可以用于从量子传感器收集数据。

例如，初始化供体自旋的集合可以检测应用磁场的变化。晶格应变改变了原子之间的距离，这可以允许基于相邻量子位之间相互作用的变化进行原子尺度应变测量。由于这些和其他量子传感器不需要处理单个量子比特，因此它们可能比量子计算机更容易建造。

沿着同样的思路，Morello还提出了在通用量子计算机中使用供体量子比特阵列作为存储元素。将量子态写入量子位数组不需要逐个寻址每个量子位。这样的内存，配合超导量子处理器，可以用相对较少的相互作用的量子位完成有用的计算。

结论
几乎任何理论上明确定义的量子系统都可以作为量子比特设备的基础。阅读文献，有时很难区分具有商业潜力的提案和物理学家有趣的思想实验。随着实用的量子计算机开始出现，普通掺杂原子的长相干时间和特征良好的电子行为使它们值得关注。

参考文献
[1]凯恩，B.硅基核自旋量子计算机。自然393,133-137(1998)。https://doi.org/10.1038/30156
[2] van Tol, J.， Morley, g.w.，高桥，S.等。量子比特的高场现象。应用Magn理由36,259(2009)。https://doi.org/10.1007/s00723-009-0014-6
[3]莫利，g.w.(2014)。硅掺杂自旋电子量子技术研究。在电子顺磁共振(pp. 62-76)。https://doi.org/10.1039/9781782620280-00062
[4] Morello, A.， Pla, j.j.， Bertet, P.和Jamieson, D.N.(2020)，量子技术在硅中的供体自旋。量子技术。， 3: 2000005。https://doi.org/10.1002/qute.202000005
[5] Voisin, B.， Salfi, J.， Rahman, R.等。基于掺杂的量子比特的新表征。科学通报46,616-622(2021)。https://doi.org/10.1557/s43577-021-00136-x
[6] Bussmann, E.， Butera, r.e.， Owen, J.H.G.等。用于硅量子计算的原子精度先进制造。MRS Bulletin 46, 607-615(2021)。https://doi.org/10.1557/s43577-021-00139-8

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