硅-28同位素富集：超纯硅芯片的突破

对可扩展量子计算平台的追求促使材料科学和工程学取得了重大进步。其中最有前途的途径之一是在硅晶体内开发固态自旋量子比特。这些量子比特在毫开尔文温度下运行，有潜力彻底改变量子计算。然而，它们的性能常常受到硅-29同位素的影响，硅-29具有非零核自旋，可以导致量子比特退相干。为了解决这一挑战，研究人员开发了一种使用局部聚焦离子束植入法富集硅-28同位素的方法。

为何选择硅-28

硅是地壳中第二丰富的元素，是构成现代电子产品基础的半导体。然而，天然硅中约含有4.67%的硅-29同位素。这种看似微小的差异在量子计算领域具有重大意义。量子计算机的基本信息单位——量子比特，容易受到与周围环境（包括宿主材料）相互作用而产生错误，其中就包括核自旋。硅-29具有核自旋，可以与量子比特的电子自旋相互作用，导致退相干 ——量子比特量子态的丢失。

而硅-28则不存在这一问题，它具有零核自旋，显著降低了这种退相干效应，从而为更长的量子比特相干时间和更可靠的量子操作奠定了基础。通过富集硅中的硅-28，研究人员可以创建一种天然抑制这些错误的材料，从而实现更稳健、更强大的量子计算机。

聚焦离子束的强大功能

传统的同位素富集方法依赖于宽束离子注入。然而，该技术存在局限性，需要较长的照射时间才能达到所需的富集水平，且对于在大型芯片内创建局部富集硅区域而言，该工艺可能不切实际。

局部聚焦离子束(FIB)注入技术则提供了解决方案。它利用精确聚焦的硅-28离子束，可在硅芯片的特定区域实现局部富集。这种方法具有以下优势：

• 更短的注入时间：与宽束方法相比，聚焦束的特性使研究人员能够在更短的时间内实现所需的富集水平。

• 空间控制：能够精确聚焦光束，允许在大型芯片内创建图案化的富集硅区域。这种灵活性对于量子计算硬件所需的复杂设计至关重要。

• 与现有制造工艺的兼容性：FIB技术可以与现有的半导体制造工艺集成，从而最大限度地减少对基础设施的更改需求。

展望未来

利用FIB注入技术成功演示了局部硅-28富集，结果显示出最小的残留硅-29浓度，降至2.3 ± 0.7 ppm，这标志着量子计算技术发展中的重要里程碑。该方法提供了一种实用且可扩展的方法，用于创建高保真硅基底，这对于实现可靠的量子操作至关重要。

潜在的应好处不仅限于量子计算，这项级数还可应用于其他领域，例如自旋电子学和超灵敏磁力测量，在这些领域中降低退相干至关重要。然而，仍存在一些挑战。研究人员需要进一步改进FIB注入工艺以实现更高的富集水平，并针对不同的器件架构优化注入参数。此外，将这些富集区域与量子芯片内的其他功能组件集成也提出了复杂的工程挑战。