99.9999%超純度硅為量子計算鋪路

據來自物理學家組織網的報道，繼去年獲得純度高達5個9（99.9998%）的硅后，美國國家標準與技術研究院的團隊又一次刷新紀錄：他們使用一項相對簡單的技術，生產出了可能是目前純度最高的硅，該材料99.9999%以上的成分為硅28，僅有不到百萬分之一為不確定的同位素硅29。

許多量子計算方案需要同位素純硅，比如用作襯底，在其上嵌入量子位（存儲信息的量子比特）。項目負責人、該研究院物理測量實驗室量子工序和計量學組的喬希·波默羅伊表示，“眼下面臨的真正挑戰是如何讓這種非結晶的高純度硅成為晶片或外延層所使用的硅的形式”，這是構建實用量子信息系統最終所必需的。在這方面他們已經取得了一定的成功，能夠讓這種高純度硅生長成為近乎完美的晶體。

要滿足大部分量子計算目的，需要純度至少達99.99%的硅28，但這種硅目前還無法通過可靠的商業來源獲取。天然非高純度硅中含有大約92%的硅28，另有大約4.7%的同位素硅29。但硅29的存在是量子計算必須克服的一個難題，因為它會導致量子信息的崩潰，也就是量子比特的“退相干”。硅29的含量每減少10倍，相干時間便可延長10倍。為了進一步提純硅28，研究小組采用了一種類似質譜分析的技術。他們先用高壓將自然界中含量豐富的硅烷氣體中的硅原子電離并萃取出來，然后使其通過磁場，這會導致離子的軌道彎曲，而曲率半徑取決于離子的質量，因此硅28和硅29會分離成不同的光束。接著，硅28離子束被引導到一個約1平方厘米的非高純度硅基底上，以方便收集硅28離子。相比其他生產高提純硅的最先進技術，比如旨在利用一個高純度硅28制造的完美球體來定義千克標準的國際阿伏伽德羅項目，這種方法要簡單得多。

不過，無論是經典計算還是量子計算，都需要具有規則晶體結構的高純度硅，這是因為非晶硅充滿懸空鍵、氧分子和其他雜質，導致其電性能不佳。為了獲得晶體硅樣品，研究人員讓硅28在一個加熱到1250攝氏度高溫的非高純度晶體硅襯底上生長，結果這種高純度硅幾乎能夠完美地模仿襯底的結構。他們原本預計這個加熱步驟會降低晶片的純度，但出乎意料的是，當一份樣品被升溫到600攝氏度時，或許是由于真空壓力，其純度竟然提高了10倍，達到了6個9（99.9999%）。這種超高純度的硅可應用于所有采用硅基量子比特的量子系統。