2024 年 5 月 7 日，英国曼彻斯特大学和澳大利亚墨尔本大学的研究人员在《自然通讯材料》杂志上发表了一项突破性研究。

  他们利用聚焦离子束（FIB）技术制造出了一种高度富集28Si 的“超纯硅”。

  这一发现为构建具有可扩展量子计算机的高性能量子比特设备提供了新的途径，从而为实现稳定的量子计算平台奠定了基础。

  （来源:《自然?通讯材料》官网截图）尽管量子计算领域的研究成果往往晦涩难懂，但量子计算机和量子这个概念却在生活中频繁出现（比如名梗：遇事不决量子力学）。

  那么，量子计算究竟是什么？量子计算机真的可能实现吗？有没有可能用生活中的概念去尝试理解它们？为了让大家对量子计算有一个初步的了解，我们这里尽可能地以通俗化、具象化的语言来跟大家聊聊量子计算的那些三五事儿。

  与经典计算不同，量子计算遵循量子力学规律，它是能突破经典算力瓶颈的新型计算模式。量子计算机以量子比特为基本运算单元，所谓的量子比特，是与经典比特作为区分。

  量子计算的发展历程（来源：国际商业机器公司 IBM）以上句子看起来很难理解，我们这里逐句拆解进行讲述。

  量子计算，看到对于这种冠有“量子”title 的名词，我们很难不将其与量子力学联系起来。自然而然，这种基于量子力学原理的计算方式与传统的经典计算有着本质的不同。

  经典信息（左）与量子信息（右）（来源：本源量子）凭借其独特的特性，量子计算机便能够利用量子比特进行计算，并且计算能力可以实现指数级爆炸式增长（这是因为 r 个量子比特可以承载 2r个状态的叠加态，从而在每次计算中实现 2r倍的计算量。相比之下，经典计算机需要 2r个经典比特才能实现同样的算力）。

  因此量子比特在计算某些特定数学问题方面更胜一筹，这就意味着量子计算机可以纵横并重塑各个领域，突破目前阻碍任何涉及量子力学的极限。

  要想实现量子计算，目前主流的技术路线包括超导、离子阱、半导体、光学、量子拓扑等（其中，超导和离子阱的发展最为迅速）。目前来看，每种技术路线都有其优缺点，尚未有哪种路线能够完全满足实用化的要求。实现量子计算的主要技术路线 全球量子计算产业发展展望》）

  1994 年，美国计算机科学家彼得秀尔（Peter Shor）提出了一个量子算法，能够高效地分解大数，这一算法展示了量子计算机在解决特定问题上具有潜在优势。

  进入 21 世纪以来，量子计算机的研制已成为全球科技前沿的重大挑战之一。国际商业机器公司（IBM）、谷歌（Google）、英特尔（Intel）等国际知名科技公司以及多所大学都在量子计算领域投入了大量资源。

  2019 年，美国谷歌公司研制出 53 个量子比特的计算机“悬铃木”，在全球首次实现量子优越性，他们宣称实现了“量子霸权”（量子处理器在特定任务上的表现超过了当时最先进的经典超级计算机）。

  硅是一种常见的半导体材料，广泛应用于现代电子技术中。硅基量子计算是量子计算领域的一个重要分支，它利用硅材料的特性来实现量子比特的存储和操作。具体来说，在硅基量子计算中，硅中的电子可以被限制在微小的区域内，形成所谓的量子点。这些量子点可以作为量子比特，用于存储和处理量子信息。硅基量子计算具有许多潜在的优势，包括与现有半导体工艺的兼容性（指的是其绝大多数工艺与传统的半导体工艺兼容，易于和半导体行业对接）、较长的相干时间（指的是量子比特保持其量子特性的时间）以及可扩展性（增加量子比特数目，以实现大规模量子计算），这使得它们更适合于量子计算。

  在经典计算抑或是量子计算，都需要具有规则晶体结构的高纯度硅，这是因为非晶硅充满悬空键、氧分子和其他杂质，导致其电性能不佳。

  然而，从自然界中直接提取的硅存在一个不可忽视的问题，即它包含三种稳定的同位素：硅-28（28Si）、硅-29（29Si）和硅-30（30Si）。其中，硅-29 约占硅的 4.68% ，其原子核携带非零核自旋，会通过偶极相互作用对用于编码量子比特的电子自旋造成干扰。

  为了解决这一问题，研究团队利用聚焦离子束技术，从一种名叫 P-NAME 聚焦离子束系统中将一束聚焦且高速的纯硅-28 离子射向硅片，通过植入硅-28 来消耗自然硅中的硅-29 ，从而将硅-29 的比例从 4.68% 最高降至0.00023%（2.3ppm），将-30 的比例从3.09%最高降至0.00006%（0.6ppm）。

  聚焦离子束同位素富集 Si-28 原理图（来源：《自然通讯材料》杂志）

  为了验证植入效果，研究者们采用了纳米级二次离子质谱（NanoSIMS）分析（这是一种能够精确测量样品中不同同位素比例的技术）。通过分析发现，研究者们确认了植入区域中硅-29 的残留浓度显著降低，并且没有引入额外的杂质，如碳（C）和氧（O）等。

  此外，透射电子显微镜（TEM）分析进一步证实了植入体积的非晶态特性以及退火后的单晶相外延再结晶。这些结果表明，通过聚焦离子束技术可以在硅晶片中实现高纯度的硅-28 富集区域，为量子比特的稳定性提供了保障。

  这项杰出的工作不仅向人们展示了科学界在量子材料制备领域的进步，也为量子计算的实用化和规模化铺平了道路。随着量子技术的不断发展，我们有理由相信，量子计算机将在未来几十年内彻底改变我们的世界。