全球首款3D原子级硅量子芯片架构问世，向量子计算机又近一步

澳大利亚新南威尔士大学近日发布消息称，该校量子计算与通信技术卓越中心（CQC2T）的研究人员已经证明，他们开创性的单原子技术可以适用于构建3D硅量子芯片，实现具有精确的层间对准和高精度的自旋状态测量，并达成全球首款3D原子级硅量子芯片架构，朝着构建大规模量子计算机迈出了重要一步。

由2018年澳大利亚年度最佳研究人员和CQC2T教授Michelle Simmons领导的研究人员表示，他们可以将原子量子比特制造技术扩展到多层硅晶体，实现引入的3D芯片架构的关键组成部分，这项新研究成果表已经发表在Nature Nanotechnology杂志上。

该研究小组首次展示了在3D设计中使用原子级量子比特来控制线路的架构的可行性，更重要的是，团队成员能够让3D设备中的不同层实现了纳米精度的对齐，并显示出他们能够通过所谓的“单次拍摄”（即在一次测量中，以非常高保真度）读出量子位元状态。

“这种3D设备架构是硅原子量子位的一个重大进步。”Michelle Simmons教授表示，“为了能够持续不断地纠正量子计算中的错误，我们必须能并行控制许多量子比特，这是量子计算领域的一个里程碑。”

他解释称，实现这一目标的唯一方法是使用3D架构，因此他所带领的团队在2015年开发出一个垂直交叉架构并申请了专利。虽然这种多层设备的制造还面临一系列挑战，不高这次的研究成果证明，几年前所设想的3D方法是可行的。

在论文中，该团队演示了如何在第一层量子位元之上构建第二个控制平面或层。“这是一个非常复杂的过程，简单来说就是在构建了第一个平面后，使用一种优化的技术，在不影响第一层结构的情况下生长第二层。”CQC2T研究员兼合着者Joris Keizer博士解释道。

此外，团队成员还证明他们可以将这些层以纳米精度对齐。Joris Keiser博士称，“如果你在第一层硅层上写了一些东西，然后在上面放了一层硅层，你仍然需要确定你的位置来对齐这两层的组件。”我们已经展示了一种可以在5纳米以下实现对准的技术，这是非常了不起的。”

最后，研究人员还通过单次测量获得3D设备的量子比特输出，而不必依赖于数百万次实验的平均值，Joris Keiser博士表示这有望促进该技术的进一步升级。

“虽然我们距离大型量子计算机还有至少十年的距离，但CQC2T的工作仍然处于这一领域创新的前沿。”Michelle Simmons教授透露，他们正在系统地开展大规模架构，并将最终实现技术的商业化。