全球首款 3D 原子级硅量子晶片架构问世，有望加速实现技术的商业化

澳洲新南威尔斯大学近日称，该校量子计算与通讯技术卓越中心（CQC2T）的研究人员已经证明，开创性的单原子技术可适用构建 3D 硅量子晶片，做到具精确的层间对準和高精度的自旋状态测量，并达成全球首款 3D 原子级硅量子晶片架构，朝构建大规模量子电脑迈出重要一步。

由 2018 年澳洲年度最佳研究人员和 CQC2T 教授 Michelle Simmons 领导的研究人员表示，可将原子量子位元製造技术扩展到多层硅晶体，达成引入 3D 晶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》期刊。

研究小组首次展示 3D 设计中使用原子级量子位元来控制线路的架构的可行性，更重要的是，团队成员能让 3D 设备的不同层达到奈米精度的对齐，并显示出能透过所谓"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重大进步"，Michelle Simmons 教授表示，"为了持续不断纠正量子计算的错误，我们必须并行控制许多量子位元，这是量子计算领域的里程碑。"

他解释，达成这目标的唯一方法是使用 3D 架构，因此他带领的团队 2015 年开发出垂直交叉架构并申请了专利。虽然这种多层设备的製造还面临一系列挑战，不过这次的研究成果证明，几年前设想的 3D 方法可行。

论文中，团队展示如何在第一层量子位元上构建第二个控制平面或层。"这是非常複杂的过程，简单来说就是构建了第一个平面后，使用优化技术，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。

此外，团队成员还证明可将这些层以奈米精度对齐。Joris Keiser 博士称，"如果你在第一层硅层写了一些东西，然后在上面放一层硅层，你仍然需要确定你的位置来对齐这两层组件。我们已展示一种可在 5 奈米以下对準的技术，这非常了不起"。

最后，研究人员还透过单次测量获得 3D 设备的量子位元输出，而不必依赖数百万次实验的平均值，Joris Keiser 博士表示，这有望促进技术再升级。

"虽然我们距离大型量子电脑还有至少 10 年距离，但 CQC2T 的工作仍然处于这个领域创新的前线。"Michelle Simmons 教授透露，他们正在系统开展大规模架构，并将最终达成技术商业化。