测量是使用阿贡国家实验室的芝加哥量子计算测试平台进行的。
美国科学家在硅量子器件内部发现了一种隐藏的原子无序现象，这可能有助于回答一个长期存在的问题：为什么一些量子比特会出现故障或性能不一致。
该项目由阿贡国家实验室的一个团队完成。研究人员研究了英特尔工业制造的12量子比特级硅量子点处理器。研究中，他们使用高灵敏度测量在纳米尺度上绘制材料的变化。他们的分析将长期存在的量子比特问题追溯到原子层面的随机变化。
这些发现可能有助于开发更可靠的硅量子比特和更大规模的量子计算机。硅自旋量子比特很有前景，因为它们可以利用现有的半导体制造方法。阿贡国家实验室表示：“这项研究揭示，量子阱中原子尺度的无序是谷劈裂变异性的主要来源。”
追踪量子比特故障
与传统计算机比特以0或1表示信息不同，硅自旋量子比特依赖单个电子的自旋。电子自旋在磁场中可以向上或向下，有点像微小的罗盘指针。
为了制造这些量子比特，科学家将单个电子束缚在称为量子阱的极薄硅层内。硅中的电子还具有另一种量子特性，称为谷态。这些态之间的能量差称为谷劈裂。
谷劈裂与用于执行量子计算的电子自旋态相互竞争。一旦劈裂变得过小，电子就可能泄漏到不需要的谷态中。这可能导致错误并降低量子比特的保真度。
尽管如此，不同器件之间的谷劈裂可能差异很大。尽管团队怀疑材料缺陷和不一致性起了作用，但这些变化背后的根本原因仍不清楚。
为了研究这一问题，研究团队使用了芝加哥量子计算测试平台，该平台由Q-NEXT国家量子信息科学研究中心运营。该设施是美国国家实验室中首个全栈固态量子比特测试平台。
测试硅量子比特
科学家们依靠电学谱学方法测量谷劈裂，同时沿硅量子阱移动量子点的位置。这使他们能够创建一幅纳米尺度图，显示谷劈裂如何随位置变化。
然后，他们评估了这些变化在不同距离上的变化情况，发现合金量子阱中的随机原子变化是谷劈裂变异性的主要原因。
了解变异性来源可以帮助半导体制造商专注于改进硅量子器件生产中的材料和制造工艺。这项合作将英特尔的半导体制造能力与阿贡国家实验室的量子专业知识结合起来。
据阿贡国家实验室科学家乔纳森·马克斯博士称，这项工作可以消除该领域最大障碍之一，从而加快研究。他在一份新闻声明中说：“即使只是构建少量量子点量子比特也可能很困难。但有了英特尔，利用量子点在实用器件上制造大量量子比特的前景突然变得现实多了。”
减少原子变异可能有助于制造商生产谷劈裂更一致、保真度更高的硅量子比特。这可能使量子处理器更容易扩展到更多量子比特。该研究由美国能源部科学办公室通过Q-NEXT中心资助。
该研究已发表在《自然通讯》期刊上。
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