美国生产出99.9999%最高纯度硅 可为量子计算铺路

提纯硅的装置

在去年获得了5个9(99.9998%)纯度的硅之后，美国国家标准和技术研究所的团队创造了另一项记录:他们用一种相对简单的技术生产硅，这可能是目前纯度最高的硅。超过99.9999%的材料由硅28组成，不确定同位素硅29不到百万分之一。

许多量子计算方案需要同位素纯硅，例如，作为嵌入量子位(存储信息的量子位)的衬底。该研究所物理测量实验室的项目负责人兼量子过程和计量团队乔希·波默罗伊(Josh Pomeroy)表示，“现在真正的挑战是如何将这种无定形高纯度硅制成用于晶片或外延层的硅形式”，这对于构建实用的量子信息系统来说是必不可少的。他们在这方面取得了一些成功，并能使这种高纯度的硅生长成近乎完美的晶体。

为了满足大多数量子计算的目的，需要纯度至少为99.99%的硅28，但是这种硅目前无法从可靠的商业来源获得。天然非高纯度硅包含约92%的硅28和约4.7%的同位素硅29。然而，硅29的存在是量子计算必须克服的难题，因为它将导致量子信息的崩溃，即量子比特的“去相干”。每次硅29的含量减少10倍，相干时间可以延长10倍。

硅沉积室的内部

为了进一步提纯硅28，研究小组采用了一种类似于质谱的技术。根据物理学家组织网络8月13日(北京时间)的报道，他们首先用高压电离并提取富含自然的硅烷气体中的硅原子，然后使它们通过磁场，这将导致离子的轨道弯曲，并且曲率半径取决于离子的质量，因此硅28和硅29将被分离成不同的光束。硅28的离子束然后被引导到大约1平方厘米的非高纯度硅衬底上，以便于收集硅28离子。这种方法比生产高纯度硅的其他先进技术简单得多，例如国际阿伏伽德罗项目，该项目旨在使用由高纯度硅制成的完美球体28来定义千克标准。

然而，经典计算和量子计算都需要具有规则晶体结构的高纯度硅，因为非晶硅充满了悬挂键、氧分子和其他杂质，导致较差的电性能。为了获得晶体硅样品，研究人员允许硅28在加热到1250摄氏度高温的非高纯度晶体硅衬底上生长。结果，这种高纯度硅几乎可以完美地模仿衬底的结构。他们原本预计这一加热步骤会降低晶片的纯度，但令他们惊讶的是，当样品被加热到600摄氏度时，也许是由于真空压力，纯度增加了10倍，达到6 9(99.9999%)。这种超高纯硅可以应用于所有使用硅基量子位的量子系统。Pomeroy的团队计划通过测试硅的电子特性来进一步改进和验证硅是否真的有助于保持一致性。

强调

硅有许多同位素。硅28是一种同位素，其提纯技术难度比制造太阳能电池板的硅晶体高几个数量级。科学家们一直在绞尽脑汁，以减少外部环境效应(即退相干)导致的量子相干衰减。量子计算中最重要的量子特性是相干性，因此相互关联的一系列量子比特作为一个整体起作用。如果长时间不保持一致性，计算就无法完成。本研究试图通过材料创新来延长退相干时间，以解决量子高速计算的最关键问题。