逐个原子嵌入来构建硅量子计算机芯片

诸平

Fig. 1 Illustration of the single atom technique. (Cropped – click image for full view.) Credit: David Jamieson, University of Melbourne

Fig. 2 Lead author Prof David Jamieson at the University of Melbourne. Credit: University of Melbourne

Fig. 3 First author Dr Alexander (Melvin) Jakob stands in front of the nanostencil scanner. Credit: University of Melbourne

据澳大利亚墨尔本大学（University of Melbourne）2022年3月13日报道，使用由墨尔本大学领导的团队完善的新技术，可以廉价且可靠地构建量子计算机，该技术将单个原子一个接一个地嵌入硅晶片中（Building a Silicon Quantum Computer Chip Atom by Atom），用于构建传统设备的镜像方法，其过程于2021年10月11日已经在《先进材料》（Advanced Materials）杂志网站发表的论文中有详细介绍。详见Alexander M. Jakob, Simon G. Robson, Vivien Schmitt, Vincent Mourik, Matthias Posselt, Daniel Spemann, Brett C. Johnson, Hannes R. Firgau, Edwin Mayes, Jeffrey C. McCallum, Andrea Morello, David N. Jamieson. Deterministic Shallow Dopant Implantation in Silicon with Detection Confidence Upper-Bound to 99.85% by Ion–Solid Interactions. Advanced Materials, First published: 11 October 2021. DOI: 10.1002/adma.202103235. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103235

上述图1（Fig. 1）是单原子嵌入技术的图解。单个原子一个接一个地嵌入新的硅计算机芯片技术，开辟了量子计算构建的可能性。

这项由大卫·贾米森（David N. Jamieson, Fig. 2）教授和来自悉尼新南威尔士大学（University of New South Wales简称UNSW, Sydney）、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 简称HZDR)、莱布尼茨表面工程研究所 (Leibniz Institute of Surface Engineering简称IOM)和墨尔本皇家理工大学(Royal Melbourne Institute of Technology简称RMIT)的研究人员合作开发的新技术-可以创建受控的大规模计数原子模式，因此它们的量子态可以被操纵、耦合和读出。

该论文的通讯作者大卫·贾米森教授说，他的团队的愿景是利用这种技术来建造一个非常非常大规模的量子设备。“我们相信，通过使用我们的方法并利用半导体行业已经完善的制造技术，我们最终可以制造基于单原子量子比特的大型机器。”

该技术利用了原子力显微镜的精度，它有一个尖锐的悬臂，可以“接触”芯片表面，定位精度仅为半纳米，与硅晶体中原子之间的间距大致相同。研究小组在这个悬臂上钻了一个小孔，这样当它被磷原子簇射时，偶尔会从孔中掉下来并嵌入硅基板中。关键是准确地知道一个原子——而且不超过一个——何时嵌入到基板中。然后悬臂可以移动到阵列上的下一个精确位置。

研究小组发现，当原子进入硅晶体并通过摩擦耗散其能量时，原子的动能可以被利用来产生微小的电子“咔哒（“click”）”声。大卫·贾米森教授说，当每个原子落入原型设备的10000个位置当中的一个时，该团队可以“听到”电子咔哒声。

大卫·贾米森教授说：“一个原子与一块硅碰撞会发出非常微弱的咔哒声，但我们已经发明了用于检测咔哒声的非常灵敏的电子设备，它被放大了很多，并发出响亮的信号，是响亮而可靠的信号。这让我们对我们的方法非常有信心。我们可以说，‘哦，有一个咔哒声，表明一个原子刚到硅晶体。现在我们可以将悬臂移到下一个位置并等待下一个原子。’”

到目前为止，在硅中植入原子一直是一个随意的过程，在硅芯片上洒满磷，磷以随机模式植入，就像窗户上的雨滴一样。

UNSW的合作者安德里亚·莫雷洛（Andrea Morello）教授表示，此新技术将磷离子嵌入硅基板中，并对其进行精确计数，从而创建一个量子位“芯片”，然后可以在实验室实验中使用该芯片来测试用于大型设备的设计。

安德里亚·莫雷洛教授说：“这将使我们能够设计大型单个原子阵列之间的量子逻辑运算，从而在整个处理器中保持高度精确的运算。现在，它们将被排列成有序的阵列，就像传统半导体计算机芯片中的晶体管一样，而不是在随机的位置植入许多原子，并选择那些工作最好的原子。”

第一作者、墨尔本大学的亚历山大·雅各布(Alexander M. Jakob)博士表示，此次合作使用了高度专业化的设备。亚历山大·雅各布博士说：“我们使用了为敏感X射线探测器开发的先进技术和最初为罗塞塔太空任务（Rosetta space mission）开发的特殊原子力显微镜，以及与我们在德国的同事合作开发的用于植入硅的离子轨迹的综合计算机模型。与我们中心的合作伙伴一起，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，但这一新发现将加速我们在大型设备上的工作。”图3（Fig. 3）是第一作者亚历山大·雅各布博士站在纳米模板扫描仪前的照片。

量子计算机的实际意义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，以及潜在的疫苗快速开发。

该项目由澳大利亚研究委员会量子计算和通信技术卓越中心（Australian Research Council Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）、美国陆军研究办公室（US Army Research Office）、墨尔本大学研究和基础设施基金（University of Melbourne Research and Infrastructure Fund）的资助，并使用了位于墨尔本纳米制造中心的澳大利亚国家制造设施（Australian National Fabrication Facility at the Melbourne Centre for Nanofabrication）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Silicon chips containing arrays of single dopant atoms can be the material of choice for classical and quantum devices that exploit single donor spins. For example, group-V donors implanted in isotopically purified ²⁸Si crystals are attractive for large-scale quantum computers. Useful attributes include long nuclear and electron spin lifetimes of ³¹P, hyperfine clock transitions in ²⁰⁹Bi or electrically controllable ¹²³Sb nuclear spins. Promising architectures require the ability to fabricate arrays of individual near-surface dopant atoms with high yield. Here, an on-chip detector electrode system with 70 eV root-mean-square noise (≈20 electrons) is employed to demonstrate near-room-temperature implantation of single 14 keV ³¹P⁺ ions. The physics model for the ion–solid interaction shows an unprecedented upper-bound single-ion-detection confidence of 99.85 ± 0.02% for near-surface implants. As a result, the practical controlled silicon doping yield is limited by materials engineering factors including surface gate oxides in which detected ions may stop. For a device with 6 nm gate oxide and 14 keV ³¹P⁺ implants, a yield limit of 98.1% is demonstrated. Thinner gate oxides allow this limit to converge to the upper-bound. Deterministic single-ion implantation can therefore be a viable materials engineering strategy for scalable dopant architectures in silicon devices.