硅的「第二春」

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我們有充分的理由相信，硅仍將在下一次計算大飛躍中——從傳統計算到量子時代——生存下來。

宏大的工程挑戰往往需要巨大的耐心。這對於量子計算來說是千真萬確的。經過漫長的20年，如今我們已經從原理上得出「量子計算會無比強大」的結論。量子計算機在短短几分鐘內就能解決普通計算機需要花費天文級的時間才能夠計算出的問題。但是，製造這種機器的工作幾乎還沒有越過起跑線。事實上，我們仍在試圖尋求最佳的構建材料。

候選材料都相當奇特：由鋁等材料印刷出來並冷卻到0.01開爾文的超導電路；盤旋在晶元之上、用激光處理過的浮動離子；以及截留在金剛石基體中的氮或其他原子。

這些材料都曾被用來製造最基本的演示系統，使用幾個量子比特對較小的數字進行分解或對固態材料的一些行為進行模擬。但這些各異的量子處理元素正面臨著來自一種絕對俗套的材料的激烈競爭：傳統的硅。

作為潛在的量子計算材料，硅的興起相當緩慢，但研究結果讓它成為了領先的競爭者。加拿大本那比市西蒙菲莎大學的一個研究組與我們在倫敦大學學院的研究小組證明了在室溫下硅材料可維持量子比特狀態39分鐘，在低溫下可保持3小時。這按照量子計算標準就相當於永恆了（其他系統可維持狀態的時長通常以毫秒或更小的單位計算），而這正是製造具備通用功能、超越傳統計算機、可實現大規模計算的量子計算機所需的那種穩定性。

作為硅的忠實粉絲，我們都深受鼓舞。50年來，硅促進了傳統計算穩步而快速的發展。傳統計算機穩步獲利的時代可能即將結束了，但是量子計算機的製造讓這一材料的前景更為光明。硅可能會迎來它的「第二春」，起碼會像第一次一樣炫目。

量子計算機是什麼？簡單地說，它就是一個依據量子力學定律存儲並處理信息的系統。這意味著在實際中，其基本計算組件——更不用說這些組件的運作方式——與當今我們能聯想到的傳統計算形式有很大差別。

雖然聽起來很奇怪，但在量子世界中，一個物體可以同時以兩種不同的狀態存在——這種現象被稱為疊加。這意味著，與普通的比特不同，一個量子比特（或量子位）可以處於一種複雜的狀態，同時是0和1。只有當你對量子位進行測量時，它才會被迫取兩個值中的一個。

當一個量子計算機執行邏輯運算時，它會同時處理量子位狀態的所有可能組合。這種大規模並行計算的方式被認為是量子計算機能夠快速運算的原因。但通常人們只對這些計算中的一個子集感興趣。對量子計算機最終狀態的測量只會給你一個隨機的答案，可能是也可能不是理想的解決方案。編寫實用的量子演算法的關鍵在於排除不想要的答案，這樣你就能留下恰當的結果了。

目前有一家公司出售所謂的「量子計算」機器。這家公司是位於加拿大本那比地區的D-Wave系統公司。D-Wave公司的演算法實現與研究人員對於量子計算的常規認識有些偏差。實際上，對於量子力學的本質以及量子計算機的潛力還存在很多討論。

多數研究者們追求的是一種通用的量子計算機，它要能夠運行任何量子或傳統的演算法。這種計算機不會在所有方面都勝過傳統計算機。但對於某些特定的應用，它會非常有效。一個迅速引起情報部門關注的應用是，它能夠以高於最好的傳統演算法指數倍的速度對大量數據進行因子分解。它能夠在短時間內破解今天的計算機無法有效破解的加密代碼。另一個有前途的領域是，它能夠高速且非常逼真地模擬量子力學系統，如分子的行為。這對於藥物和材料的研發可能是一大福音。

要構建一台能夠運行上述及其他量子演算法的通用量子計算機，你需要的第一個東西就是基本的運算元素：量子比特。原則上，任意物體，只要滿足量子物理學定律且能夠處於疊加狀態，都可用於模擬量子比特。

由於量子行為通常在微小的物體中最為明顯，因此多數天然的量子位都是微小的物體，如電子、單個原子核或光子。任何可以取兩個值的屬性，都可用於量子信息編碼，例如光的偏振或在某一個特定位置電子的存在與否。一個較為可行的方案是自旋。自旋是一個相當深奧的屬性：它反映了一個粒子的角動量（即使沒有發生物理上的旋轉），也反映了物體的固有磁性。在電子和原子核中，自旋都可以指向上或向下，以表示1或0，或者它也可以在兩種狀態中疊加存在。

也有可能從人造結構中得到宏觀量子位——如果它們能夠被冷卻到量子行為可以出現的溫度。一種流行的結構是磁通量子比特，它是由超導線圈的載流迴路構建的。這些可以以微米為單位測量的量子位，放大了量子的奇異之處：當一個磁通量子比特的狀態是疊加的時候，電流會同時在迴路的正反兩個方向上流動。

D-Wave公司使用的量子位是基於超導迴路的。這些量子位被連接在一起，構造出了有別於通用量子計算機的機器。該公司採用了一種名為絕熱量子計算的方法，其中量子位被設置為初始狀態，隨後「放鬆」達到最佳配置。儘管這種方法可被用來快速地解決某些優化問題，但D-Wave公司的計算機不能執行並實現任意演算法。

雖然大型的通用量子計算機還有很長的路要走，但我們已經基本掌握了它的幾種構建方法。最直接的方法是採用被稱為柵極模型的計算模型。這種模型採用了一系列的「通用柵極」來連接量子比特群，使它們能夠按需進行互動。與固定邏輯電路的傳統晶元不同，這些柵極可以被用於配置和重新配置量子位之間的關係，以建立不同的邏輯運算。如XOR和NOT等可能是我們熟悉的，但其中很多邏輯運算我們並不熟悉。這些邏輯運算是在一個複雜的空間運行的，每個量子位的狀態都可以取任何一個連續範圍內的值。但計算的基本流程與傳統電路大致相同：邏輯柵極控制信息流動的方式，而量子位的狀態隨著程序的運行而變化。之後，通過觀測系統來讀出結果。

另一個更為奇特的想法被稱為團簇態模型，這一模型以一種不同的方式運作。這裡，計算是僅通過觀測行為來執行的。首先，使每個量子位與其相鄰的量子位「糾纏」。糾纏是一種量子力學現象，其中兩個或更多的粒子（例如電子）共享一個量子態，並且測量一個粒子會影響與其糾纏的夥伴的行為。在團簇態方法中，程序實際上是通過以特定的順序、沿特定的方向測量量子位而運行的。一些測量通過構建量子網路來對計算進行定義，而其他測量則依靠這一網路推動信息的傳遞。所有這些測量的最終結果結合在一起就得出了最後的答案。

要使以上任意一種構建方法生效，你必須找到一個途徑來確保量子位可維持足夠長時間的穩定，使你能夠執行計算。就其本身而言，這是一個相當艱巨的任務。量子力學的狀態是微妙的，它們會很容易被溫度的小幅波動或雜散的電磁場打亂。這可能會引發嚴重的計算錯誤，甚至會使計算半途而廢。

除了這些，如果你想進行有效的計算，你還必須找到一種方法，將系統擴展到數百個或數千個量子位。在90年代中期，當人們首次通過俘獲原子和離子製造出第一個量子位時，擴展被認為是不可行的。即使製造一個量子位，也需要精心的製作方法和大量設備在高真空度下的密切運作。但是，這一情況在過去幾年中發生了改變；現在，已經有各種量子計算的候選被證明是易於擴展的（見「量子競爭者」）。

其中，基於硅的量子位得到了我們的青睞。它們可以使用傳統的半導體技術製造，並有望得到穩定的性能和緊湊的結構。

現有幾種不同的方法可以從硅中得到量子位。我們將從早期的一種方法開始介紹：使用人工放置在硅中的原子。

如果這種方法聽起來很熟悉，那是因為半導體產業已經使用了雜質來調整硅的電子屬性，從而製造出二極體和晶體管等器件。在一個被稱為摻雜的過程中，周期表相鄰列中的原子被添加到硅中。所摻雜的原子向相鄰材料送出一個電子（作為「供體」），或從相鄰材料中提取一個電子（作為「受體」）。

這些摻雜劑改變了硅的整體電子特性，但僅在高於零下220攝氏度左右的溫度才有效。低於該閾值，來自供體的電子就不再具備足夠的熱能，無法抵抗正電荷原子的吸引，因此就會返回。

這種被稱為載流子凍析的現象，說明了多數傳統硅器件停止工作的原因。但在1998年，現在就職於馬里蘭大學帕克分校的物理學家布魯斯?凱恩（Bruce Kane）指出，凍析可能對量子計算非常有用。它創造了一組電中性且相對孤立的原子，每個原子都被固定在適當的位置——這就是一個可以存儲信息的自然平穩的量子系統。

在這一結構中，信息可以以兩種方式進行存儲：被編碼在供體原子核的自旋態，或者最外層電子的自旋態中。一個粒子的自旋狀態對於變化的磁場以及鄰近粒子間的相互作用非常敏感。附近其他原子核的自旋是首要問題。它們會隨意翻轉，擾亂材料中的電子自旋量子位的狀態。

但事實證明，這些自旋對於硅來說並不太成問題。硅只有一個同位素——硅29——具有非零自旋核，而硅29隻占自然產生的硅原子的5%。因此，核自旋翻轉對於硅原子是罕見的。按照量子的標準來衡量，供體電子自旋的壽命相當長。例如，磷供體外層電子的自旋狀態在被擾亂前，可以在8開爾文的溫度下維持疊加狀態達0.3毫秒。

這就是一台量子計算機所需要的最基本的東西。為了彌補一個量子態的損壞並保持量子信息始終完整，用於識別和糾正錯誤的額外長壽量子位必須被納入每個用於計算的量子位中。要做到這一點，其中一個最直接的方法是添加冗餘，使每個計算量子位實際上由一組量子位組成。隨著時間的推移，一些量子位中的信息會被損壞，但這組量子位的狀態可以定期依據大多數量子位的狀態進行無干擾性重置。如果有足夠的冗餘，並且錯誤率在「容錯」的閾值以下，信息就可以被維持足夠長的時間來執行計算。

如果一個量子位平均持續時間為0.3毫秒，並且可以利用微波輻射在10納秒內進行調控，就意味著，在量子態衰變之前，可以對其進行平均3萬次的閘運算。容錯閾值不盡相同，但是這一數字不是很高。這意味著，一台量子計算機將花費幾乎所有的時間糾正量子位及其克隆的狀態，而進行有意義的計算的時間就會很少。為了減少與糾錯相關的時間，並構建更緊湊、更高效的量子計算機，我們必須找到一種方法來延長量子位的壽命。

要做到這一點，一種方法是使用完全不包含同位素硅29的硅材料。這種硅是很難得到的。但是，大約10年前，阿伏伽德羅項目——一個致力於重新界定千克標準的國際合作項目——正巧為了進行測量而製造了一些硅28的原始球。該團隊在俄羅斯使用了一系列的離心機，獲得了一些純度為99.995%的硅28，使其成為有史以來製造出的最純凈的材料之一。普林斯頓大學的一個小組獲得了一些剩餘的材料。經過一番仔細的實驗，在2012年，該小組報告稱，他們在1.8開爾文的溫度下得到了超過1秒鐘的供體電子自旋穩定期——這創造了所有材料的電子自旋的世界紀錄。這確實表明了硅的真正潛力，並確立了它作為真正競爭者的地位。

我們的研究小組已證明，某些供體原子的自旋——特別是鉍——可通過外部磁場調諧到特定的「最佳點」。這些「最佳點」具有對磁波動不敏感的特性。關於供體鉍，我們發現其外層電子自旋態可在較高溫度下的高純度硅28中持續長達3秒。重要的是，我們發現在天然硅中，其自旋穩定期可維持0.1秒。這意味著我們應該能夠獲得相對較長的量子位壽命，而無須尋求特殊的高純度同位素材料。

對於電子而言，上述時長已經是極佳的了，但相比原子核所能達到的時長，這又遜色許多了。最近由西門菲沙大學的一個團隊領導的一次測量表明，磷供體原子的核自旋可以在低溫下的硅中持續長達3分鐘。由於核自旋與外界的相互作用是通過其周圍電子實現的，如果去除磷的最外層電子，這一時長就可以延長至3個小時。

核自旋的壽命之所以比電子自旋的壽命長，是因為它們的磁性較弱，與環境的相互作用不那麼強。但這種穩定是有代價的，因為這也使得它們更難被調控。因此，我們預計，由供體原子構建的量子計算機可能會同時使用原子核和電子。易於被操控的電子自旋可以用於運算，而更穩定的核自旋可以被部署為存儲元件，在計算過程中，以量子態存儲信息。

上文所提到的自旋時長記錄都是來自對整個供體集合的測量。但仍有一個主要挑戰：你如何一次調控並測量一個供體量子位的狀態，尤其當有上萬或上百萬的量子位存在於一個小空間的時候？直到幾年前，人們還並不清楚如何才能做到這一點。但在2010年，經過10年艱苦的研究和開發後，由悉尼新南威爾士大學的安德里亞?莫雷洛（Andrea Morello）和安德魯?杜拉克（Andrew Dzurak）率領的一個團隊表示，控制並讀出一個單一供體原子的電子自旋態是有可能的。他們把磷供體靠近一個被稱為金屬氧化物半導體（MOS）單電子晶體管（SET）的設備，施加了一個溫和的磁場，並降低了溫度。自旋與磁場反向的電子比自旋與磁場同向的電子獲得更多的能量，而這多餘的能量就足以使電子從供體原子中彈出了。因為SET對周圍環境的充電狀態極為敏感，這樣摻雜原子的電離過程就改變了SET的電流。從那時起，這一方法被擴展應用在控制和讀取單個核自旋態。

SET可能是我們構建有效量子位所需的關鍵基石之一。但這一方實際構建量子計算機時仍存在一些重大障礙。目前， SET必須在非常低的溫度下工作——只有零點幾開爾文——以便足夠敏感，能夠讀取量子位。而且，雖然我們可以用單一器件讀出一個量子位，但目前我們還沒有一個詳細的擴展藍圖。如何製造大型陣列並將此類器件集成在一個晶元上仍是待解決的問題。

還有一種基於硅的構建量子位的方法被證明更易於擴展。這一想法源於物理學家大衛?迪文森佐（David DiVincenzo）和丹尼爾?羅斯（Daniel Loss）的研究。量子位通過束縛於量子點內部的單一電子構建。

在一個量子點中，電子可以被緊緊地束縛住，它們被迫佔據分立能級，就像它們在原子周圍那樣。在一個凍析出的供體原子中，被束縛的電子的自旋態可被作為一個量子位的基礎。

構建這種「人造原子」的基本方法要求在兩種不同材料之間創建突變界面。如果選擇了適當的材料，電子就可積聚在界面平面，那裡的勢能較低。為了進一步阻止電子在平面上來回移動，安置在平面上的金屬閘可以對其進行排斥，這樣電子就會被驅趕到一個特定的點，在那裡它就沒有足夠的能量出逃了。

硅量子點的大型統一陣列應該比供體量子位陣列更容易製造，因為這種量子位以及連接它們或讀取它們的狀態所需的任何器件都可以通過今天的晶元製造工藝進行製造。

但這種方式構建出的量子位的壽命並沒有硅供體方法得到的量子位那麼長。這主要是因為，當在1998年利用量子點構建量子位的想法被提出時，砷化鎵/砷化鎵鋁異質結構是首選材料。砷化鎵的電子結構可以很容易地束縛電子：它可以在一個約200納米寬（而不是在硅的20納米寬）的器件中進行。雖然砷化鎵量子位更容易構建，但它們遠不是理想的選擇。這是因為鎵和砷的所有同位素都擁有核自旋。其結果是，被困在一個砷化鎵量子點的電子必須與成千上萬的鎵和砷的核自旋進行相互作用。這些相互作用使電子的自旋態迅速被攪亂。

由於硅只有一種核自旋的同位素，用硅量子點構造的量子位的壽命本應有望是砷化鎵的一百倍以上，最終時長將接近以秒計，但這種材料卻面臨著自身的挑戰。如果你在現有MOS晶體管技術上設立硅量子點模型，你就必須要在硅和氧化物之間的界面捕獲一個電子，並且這些界面有很多的缺陷。這些瑕疵形成了電子可以通行的一些淺勢阱，增加了器件的雜訊，並在你不希望俘獲電子的地方俘獲到電子。即使有MOS技術發展的幾十年經驗，構建能夠精確地將一個電子困在內部的MOS量子點也已被證實是一項艱巨的任務，這一壯舉直到幾年前才得以實現。

其結果是，硅與其他材料混合製造的量子點最近取得了成功。硅鍺異質結構通過將硅夾在硅鍺合金之間構建了量子阱，並且與MOS結構相比在界面具有低得多的缺陷密度。這種材料已躋身於領先者之列。例如，在今年年初，荷蘭代夫特理工大學卡夫里納米科學研究所的一個團隊報告稱，他們已使硅鍺點能夠保持40微秒的量子態。但MOS還沒有出局。就在幾個月前，安德魯?杜拉克在新南威爾士大學的研究小組報告了其研究的初步結果，表示他們已克服了氧化物界面的缺陷問題。這一突破使得該小組能夠在同位素純硅28中創建超過1毫秒時長的MOS量子位壽命，這一時長應該足夠完成糾錯了。

隨著圍繞硅的量子計算研究日益深入，我們正處在一個獨特的時期。我們有兩種可能的系統——供體和量子點——可能被用於製造量子計算機。

哪一個會勝出呢？硅供體系統——電子自旋和核自旋——在自旋時長方面都具有優勢。但由於被嵌入在硅矩陣中，供體原子將難以有控制地發生連接或糾纏，而這是進行量子計算所需要的關鍵能力之一。我們或許能將量子位緊密地聚集在一起，從而使供體電子重疊或供體核能夠通過磁相互作用。或者，我們可以設想建立一個「匯流排」，使微波光子充當信使。在大規模運作中，供體原子很難被安置得足夠精確，使上述兩種方法不能正常運作。雖然新南威爾士大學的米歇爾?西蒙斯（Michelle Simmons）的近期工作已經表明，通過使用掃描隧道顯微鏡技術，有可能實現將摻雜劑以原子精度放置在硅的表面。

由20至40納米的小電極構建的硅量子點，應該更易被統一地構建到大型陣列中。我們可以利用晶元行業中已有的光刻技術來製造器件、電極以及負責電子穿梭並協助電子與其他量子位交互的各種組件。

鑒於這些優勢，兼并兩種量子位製造方式的量子計算機就不難想像了。更容易構建並連接的量子點，可以用於製造機器的邏輯部分。當完成一部分計算時，電子可以被推向一個位於附近的供體電子，從而向基於供體核的存儲器傳送結果。

當然，硅也必須與其他一系列令人興奮的潛在量子計算系統進行競爭。正如今天的計算機使用硅、磁性材料和光纖的混合體來進行計算、存儲和通信一樣，很可能未來的量子計算機將採用各種完全不同的材料的組合。

在硅被認為與其他量子計算系統具備同等地位之前，我們還有很長的路要走。但是，這並不是硅第一次扮演追趕者的角色了。畢竟，在高純硅和CMOS工藝出現之前，硫化鉛和鍺是被用來製造半導體器件的。到目前為止，我們有充分的理由相信，硅仍將在下一次計算大飛躍中——從傳統計算到量子時代——生存下來。

作者丨Cheuk Chi Lo, John J.L.Morton

轉自丨悅智網

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