2024 年 5 月 7 日，英國曼徹斯特大學和澳洲墨爾本大學的研究人員在【自然·通訊材料】雜誌上發表了一項突破性研究。 他們利用聚焦離子束（FIB）技術制造出了一種高度富集 28Si 的「超純矽」。 這一發現為構建具有可延伸量子電腦的高效能量子位元裝置提供了新的途徑，從而為實作穩定的量子計算平台奠定了基礎。
（來源:【自然通訊材料】官網截圖）
盡管量子計算領域的研究成果往往晦澀難懂，但量子電腦和量子這個概念卻在生活中頻繁出現（比如名梗：遇事不決量子力學）。
那麽，量子計算究竟是什麽？量子電腦真的可能實作嗎？有沒有可能用生活中的概念去嘗試理解它們？為了讓大家對量子計算有一個初步的了解，我們這裏盡可能地以通俗化、具象化的語言來跟大家聊聊量子計算的那些三五事兒。
量子計算（機）究竟是
解決什麽問題的？
與經典計算不同，量子計算遵循量子力學規律，它是能突破經典算力瓶頸的新型計算模式。 量子電腦以量子位元為基本運算單元 ，所謂的量子位元，是與經典位元作為區分。
量子計算的發展歷程（來源：國際商業機器公司 IBM）
以上句子看起來很難理解，我們這裏逐句拆解進行講述。
量子計算，看到對於這種冠有「量子」title 的名詞，我們很難不將其與量子力學聯系起來。自然而然，這種基於量子力學原理的計算方式與傳統的經典計算有著本質的不同。
具體來說，在經典計算中，資訊是透過二進制數位 （bits） 來表示的，這種二進制數位或為 0 或為 1，類似一個只有開和關兩個狀態的「開關」。然而，量子計算打破了這一傳統，資訊是透過另一種方式即量子位元 （qubits） 來表示的，這種量子位元可以同時處於 0 和 1 的狀態，也就是一種疊加態（這裏可以參考薛丁格老先生那只既死又活的神奇貓咪）。
除此之外， 量子位元之間還可以存在某種特殊的關聯，稱為量子纏結 ，這更類似一個可以處於多個狀態的「開關旋鈕」。
經典資訊（左）與量子資訊（右）（來源：本源量子）
憑借其獨特的特性，量子電腦便能夠利用量子位元進行計算，並且計算能力可以實作指數級爆炸式增長（這是因為 r 個量子位元可以承載 2r 個狀態的疊加態，從而在每次計算中實作 2r 倍的計算量。相比之下，經典電腦需要 2r 個經典位元才能實作同樣的算力）。
因此量子位元在計算某些特定數學問題方面更勝一籌，這就意味著量子電腦可以縱橫並重塑各個領域，突破目前阻礙任何涉及量子力學的極限。
量子電腦是否可以實作？
要想實作量子計算，目前主流的技術路線包括超導、離子阱、半導體、光學、量子拓撲等（其中，超導和離子阱的發展最為迅速）。目前來看，每種技術路線都有其優缺點，尚未有哪種路線能夠完全滿足實用化的要求。
實作量子計算的主要技術路線（來源：【2023 全球量子計算產業發展展望】）
量子電腦利用量子比代替傳統電腦中的二進制位元，透過量子疊加和量子纏結實作計算能力的飛躍。
量子電腦的概念最早可以追溯到 20 世紀 80 年代，美國物理學家理察·費曼 （Richard Feynman） 提出了利用量子系統模擬其他量子系統的想法。1994 年，美國電腦科學家彼得·秀爾 （Peter Shor） 提出了一個量子演算法，能夠高效地分解大數，這一演算法展示了量子電腦在解決特定問題上具有潛在優勢。
量子電腦的發展歷程 （來源：日經中文網）
進入 21 世紀以來，量子電腦的研制已成為全球科技前沿的重大挑戰之一。國際商業機器公司 （IBM） 、谷歌 （Google） 、英特爾 （Intel） 等國際知名科技公司以及多所大學都在量子計算領域投入了大量資源。
2019 年，美國谷歌公司研制出 53 個量子位元的電腦「懸鈴木」，在全球首次實作量子優越性，他們宣稱實作了「量子霸權」（量子處理器在特定任務上的表現超過了當時最先進的經典超級電腦）。
值得註意的是，中國在量子計算領域也取得了重大進展。
2020 年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊構建了 76 個光子的量子計算原型機「九章」，使中國成為全球第二個實作量子優越性的國家。2021 年，潘建偉院士團隊及合作者成功研制了 113 個光子的「九章二號」和 66 位元的「祖沖之二號」量子計算原型機，使中國成為在光學和超導兩條技術路線上都實作量子優越性的國家。2023 年，潘建偉院士團隊及合作者又成功構建了 255 個光子的量子電腦原型機「九章三號」，在求解特定數學問題時，比目前全球最快的超級電腦快一億億倍，比「九章二號」速度提升了一百萬倍。
可以說，中國在量子計算領域已處於國際領先地位。
「超純矽」具體是怎麽回事？
矽是一種常見的半導體材料，廣泛套用於現代電子技術中。矽基量子計算是量子計算領域的一個重要分支，它利用矽材料的特性來實作量子位元的儲存和操作。具體來說， 在矽基量子計算中，矽中的電子可以被限制在微小的區域內，形成所謂的量子點。這些量子點可以作為量子位元，用於儲存和處理量子資訊。
矽基量子計算具有許多潛在的優勢，包括與現有半導體工藝的相容性（指的是其絕大多數工藝與傳統的半導體工藝相容，易於和半導體行業對接）、較長的相幹時間（指的是量子位元保持其量子特性的時間）以及可延伸性（增加量子位元數目，以實作大規模量子計算），這使得它們更適合於量子計算。
矽量子計算登上【自然】封面 。圖片來源：【自然】雜誌
在經典計算抑或是量子計算，都需要具有規則晶體結構的高純度矽，這是因為非晶矽充滿懸空鍵、氧分子和其他雜質，導致其電效能不佳。
然而，從自然界中直接提取的矽存在一個不可忽視的問題，即它包含三種穩定的同位素：矽-28 （28Si） 、矽-29 （29Si） 和矽-30 （30Si） 。其中，矽-29 約占矽的 4.68% ，其原子核攜帶非零核自旋，會透過偶極交互作用對用於編碼量子位元的電子自旋造成幹擾。而矽-30 僅占矽的 3.09% ，含量少且電子自旋與核自旋之間的交互作用較大。這使得 只有矽-28 被認為是較為理想且純凈的量子計算材料。 因此，盡可能減少矽-29 和矽-30 的影響是提升量子計算效能的關鍵。
為了解決這一問題，研究團隊利用聚焦離子束技術，從一種名叫 P-NAME 聚焦離子束系統中將一束聚焦且高速的純矽-28 離子射向矽片，透過植入矽-28 來消耗自然矽中的矽-29 ，從而將矽-29 的比例從 4.68% 最高降至0.00023% （2.3ppm） ，將-30 的比例從3.09%最高降至0.00006% （0.6ppm） 。
隨後，他們透過兩步退火工藝，將植入後的非晶態重新結晶，恢復了矽片的晶體結構。該技術不僅能實作這種極端的矽-28 富集，還避免引入可能幹擾量子位元的其他雜質。
聚焦離子束同位素富集 Si-28 原理圖（來源：【自然通訊材料】雜誌）
為了驗證植入效果，研究者們采用了奈米級二次離子質譜 （NanoSIMS） 分析（這是一種能夠精確測量樣品中不同同位素比例的技術）。透過分析發現，研究者們確認了植入區域中矽-29 的殘留濃度顯著降低，並且沒有引入額外的雜質，如碳 （C） 和氧 （O） 等。此外，透射電子顯微鏡 （TEM） 分析進一步證實了植入體積的非晶態特性以及退火後的單晶相外延再結晶。這些結果表明，透過聚焦離子束技術可以在矽晶片中實作高純度的矽-28 富集區域，為量子位元的穩定性提供了保障。
這種技術制造的「超純矽」有望在新材料設計、人工智慧、能源儲存以及物流制造等領域為整個社會帶來革命性變革。該計畫的聯合導師、墨爾本大學的戴維-傑米森 （David Jamieson） 教授表示，他們下一步將證明該種材料能夠同時維持許多量子位元的量子相幹性。
「悟源」系列超導量子電腦（來源：本源量子）
這項傑出的工作不僅向人們展示了科學界在量子材料制備領域的進步，也為量子計算的實用化和規模化鋪平了道路。隨著量子技術的不斷發展，我們有理由相信，量子電腦將在未來幾十年內徹底改變我們的世界。
參考文獻
[1]量子計算
出處：百度百科、「科普中國」科學百科詞條編寫與套用工作計畫
[2]谷歌論文釋出，稱實作「量子霸權」！計算200秒相當於最強超算1萬年
出處：微信公眾號FX168、和訊網
[3]姚期智院士：神秘的量子計算跟經典計算到底有何不同
出處：新浪科技【科學大家】欄目
[4]中國科大實作「九章三號」光量子計算原型機
出處：中國科學技術大學新聞網
[5]矽量子電腦保真度獲重大突破，達99%以上
出處：澎湃新聞
[6]Highly 28Si enriched silicon by localized focused ion beam implantation
出處：【自然·通訊材料】官網
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作者丨吳俊傑 材料物理與化學博士
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