量子計算技術(shù)再獲神器 科學(xué)家開(kāi)發(fā)出新的成像技術(shù)

　　最近，《Science》子刊《Science Advances》上發(fā)表的一篇論文稱(chēng)，研究團隊開(kāi)發(fā)了一種能夠窺探硅晶體內部結構的非侵入性成像技術(shù)。這很有可能成為測試常規硅基芯片的有效方法，且可能為下一代的量子計算技術(shù)奠定基礎。

　　這支來(lái)自?shī)W地利林茨大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的國際團隊將現有成熟的顯微技術(shù)——掃描微波顯微鏡(Scanning Microwave Microscopy, SMM)運用到對硅芯片中人工摻入雜質(zhì)的檢測當中，整個(gè)成像過(guò)程不會(huì )對芯片產(chǎn)生任何損害(半導體中會(huì )被摻入雜質(zhì)來(lái)增強其導電和光學(xué)性質(zhì))。

　　圖丨磷-硅材料成像

　　掃描微波顯微鏡在生物細胞和新材料方面有廣泛應用，其中包括石墨和其它半導體材料。它的工作原理結合了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)和矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀 (Vector Network Analyzer, VNA)——二者分別有測量樣品特定部分的納米探針，以及往探針上傳輸的微波信號的裝置。該信號會(huì )在樣本中反射，并回到矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀中進(jìn)行計算，最后整套儀器會(huì )反饋樣本的三維圖像和電學(xué)性質(zhì)。

　　研究者使用掃描微波顯微鏡掃描樣本，具體探測了硅晶表層下成一定規律排列的磷原子的電學(xué)性質(zhì)。在這一方法下，研究者成功檢測了在表面4-15納米之下的1900-4200個(gè)緊密排列的原子。

　　當然，諸如二次離子質(zhì)譜分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)之類(lèi)的技術(shù)也可以用于檢測半導體中人工參入的雜質(zhì)，但是掃描微波顯微鏡的主要優(yōu)勢是，它不會(huì )對樣本有任何損壞。

　　在 IEEE Spectrum 的一個(gè)郵件采訪(fǎng)中，本實(shí)驗的領(lǐng)導者、奧地利林茨大學(xué)的 Georg Gramse 表示：“從對硅芯片掃描的新技術(shù)中，我們能預見(jiàn)到對全球行業(yè)的潛在沖擊。因為在芯片集成電路越來(lái)越小的情況下，測量過(guò)程已經(jīng)變得無(wú)比困難且耗費時(shí)間，而且可能會(huì )損壞芯片本身。”

　　圖丨SMM和VNA對材料的測量結果

　　除了對硅基芯片的一系列影響，Gramse相信，這項技術(shù)可能對未來(lái)的磷-硅量子計算機的制造工藝做出貢獻。

　　與經(jīng)典計算機基于晶體管(晶體管的開(kāi)關(guān)對應二進(jìn)制的0和1)的工作原理不同，量子計算通過(guò)既可以代表0又可以代表1的量子比特處理數據。

　　四年前，人們開(kāi)始用制造傳統計算機的硅材料制造量子計算機，但難點(diǎn)在于硅晶體中磷原子的植入，而磷原子的自旋正是量子比特承載體。

　　新的成像技術(shù)對磷-硅量子計算機的實(shí)現奠定了基礎，因為人們能把掃描微波顯微鏡集成到現有的探測儀器中。這將大大加快三維結構的制造速度，因為該技術(shù)也能被應用于光刻工藝中原子摻雜的迭代控制。

　　Gramse最后說(shuō)：“目前，我們正在研究磷原子層的物理性質(zhì)，這將是通往磷-硅量子計算機的下一步。”