隨著超純硅的發展，量子計算取得了重大突破，爲創造功能強大、可擴展的量子計算機奠定了基礎。

100多年前，曼徹斯特大學的科學家們發現了原子中的原子核，改變了世界，標志著核物理學的誕生。

快進到今天，曆史重演，這一次是在量子計算領域。

在“核物理學創始人”歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）開創的相同方法的基礎上，該大學的科學家與澳大利亞墨爾本大學合作，生産出了一種增強的超純硅，可以構建高性能量子比特設備 —— 這是爲可擴展量子計算機鋪平道路所需的基本組件。

這一發現發表在《通信材料》雜志上，可以定義和推動量子計算的未來。

量子計算進展

曼徹斯特大學高級電子材料教授理查德·庫裏（Richard Curry）說：“我們所能做的是有效地創造出構建硅基量子計算機所需的關鍵‘磚塊’。這是使一項有可能改變人類的技術變得可行的關鍵一步；這項技術可以讓我們有能力大規模處理數據，我們將能夠找到解決複雜問題的解決方案，如應對氣候變化的影響和應對醫療挑戰。”

“這一成就與我們大學成立200周年相吻合，這是合適的，在這段時間裏，曼徹斯特一直處于科學創新的最前沿，包括1917年盧瑟福的‘分裂原子’發現，然後是1948年的‘嬰兒’ —— 有史以來第一次真實的電子存儲程序計算演示，現在又向量子計算邁出了一步。”

克服量子挑戰

量子計算機發展中最大的挑戰之一是量子比特 —— 量子計算的組成部分 —— 高度敏感，需要一個穩定的環境來維持它們所持有的信息。即使是環境的微小變化，包括溫度波動，也會導致計算機錯誤。

另一個問題是它們的規模，包括它們的物理尺寸和處理能力。10個量子位的處理能力相當于一台普通計算機的1024位，而且可能占用更小的體積。科學家們認爲，一台完全運行的量子計算機需要大約100萬個量子比特，這是任何經典計算機都無法實現的能力。

硅在量子計算中的作用

由于其半導體特性，硅是經典計算的基礎材料，研究人員認爲它可能是可擴展量子計算機的答案。在過去的60年裏，科學家們一直在研究如何設計硅，使其發揮出最大的能力，但在量子計算領域，它面臨著挑戰。

天然硅是由三個不同質量的原子（稱爲同位素）組成的：硅28、硅29和硅30。然而，Si-29（約占硅的5%）會引起“核翻轉”效應，導致量子位丟失信息。

在曼徹斯特大學的一項突破中，科學家們已經提出了一種方法來設計硅，以去除硅29和硅30原子，使其成爲制造大規模量子計算機的完美材料，並且具有高精度。

這一結果 —— 世界上最純淨的硅 —— 爲創造100萬個量子比特提供了一條途徑，這些量子比特可能被制造成針尖大小。

在該項目中進行實驗工作的博士研究員拉維·阿查裏亞（Ravi Acharya）解釋說：“硅量子計算的巨大優勢在于，用于制造電子芯片的相同技術（目前在由數十億晶體管組成的日常計算機中）可用于爲硅基量子設備創建量子位。迄今爲止，制造高質量硅量子比特的能力在一定程度上受到所用硅起始材料純度的限制。我們在這裏展示的突破性純度解決了這個問題。”

新的能力爲具有無與倫比的性能和能力的可擴展量子設備提供了路線圖，並有望以難以想象的方式改變技術。

項目聯合主管、墨爾本大學的大衛·賈米森教授說：“我們的技術爲可靠的量子計算機開辟了道路，有望在整個社會實現跨步變革，包括人工智能、安全數據和通信、疫苗和藥物設計、能源使用、物流和制造。”

“現在我們可以生産出極純的硅28，我們的下一步將是證明我們可以同時保持許多量子位的量子相幹性。在某些應用中，一台只有30個量子比特的可靠量子計算機將超過當今超級計算機的能力。”

理解量子計算

所有的計算機都是用電子操作的。除了帶負電荷外，電子還有另一種被稱爲“自旋”的特性，它經常被比作一個自旋的陀螺。

計算機存儲器中電子的聯合自旋可以産生磁場。這個磁場的方向可以用來創建一個代碼，其中一個方向稱爲“0”，另一個方向稱爲“1”。這就允許我們使用一個只使用0和1的數字系統向計算機發出指令。每個0或1稱爲一個位。

在量子計算機中，我們可以使用單個電子的自旋，而不是數百萬個電子自旋的綜合效應，從“經典”世界的工作轉移到“量子”世界；從“比特”到“量子位”。

當經典計算機一個接一個地進行計算時，量子計算機可以同時進行所有計算，從而使它們能夠以無與倫比的速度處理大量信息並執行非常複雜的計算。

雖然，量子計算仍處于早期階段，但一旦完全開發，量子計算機將用于解決現實世界的複雜問題，如藥物設計，並提供更准確的天氣預報 —— 計算對于今天的超級計算機來說還是太困難了。

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