单原子晶体管开启量子计算

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作者：熔桓　发稿时间：2012-02-20 12:14:21　

如图所示，这一原子在计算机模型的图像的中心，处于硅晶体的通道中。这一原子大小的晶体管和电线，使研究人员可以控制封闭的量子比特，用于未来的量子计算机。来源：普渡大学

这是有史以来最小的晶体管，事实上，也是可以制作的最小的晶体管，现在已制成，采用的是单个磷原子，发明者是一个国际研究小组，成员来自新南威尔士大学（University of New South Wales），美国普渡大学（Purdue University）和墨尔本大学（University of Melbourne）。
这一单原子装置已在2月19日（星期日）被介绍，论文发表在《自然•纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上，题为《单原子晶体管》（A single-atom transistor）
米歇尔•西蒙斯（Michelle Simmons）是研究小组组长，也是新南威尔士大学量子计算和通信ARC中心（ARC Centre for Quantum Computation and Communication）主任，他说，这项开发对目前技术的改进较少，更多的是建设未来的技术。
“这是一个美妙的演示，控制物质，在原子尺度可以制成一种一个真正的设备，”西蒙斯说。“五十年前，第一台晶体管开发出来，那时，没有人能预测，计算机在我们今天的社会中发挥的作用。我们要转向到原子尺度的设备，我们正在进入一个新的理论框架，量子力学有望成为一个类似的技术转折。正是这一有前途的未来技术，使目前的这一开发令人兴奋。”
这通一个研究小组在今年一月宣布，已开发出磷和硅导线，只有一个原子高，四个原子宽，性能就像铜线。
模拟原子晶体管，模拟它的性能，是在普渡大学进行的，使用的是纳米电线插孔（nanoHUB）技术，有一个在线社区资源网站，服务于计算纳米技术的研究人员。
格哈德•克里麦克（Gerhard Klimeck）指导普渡大学研究小组，运行模拟，他说，这是一个重要的发展，因为它表明，小型电子元件如何设计。
“对我来说，这是摩尔定律（Moore's Law）的物理极限，”Klimeck说。“我们还不能做得比这更小。”
虽然定义可以有所不同，简单地说，摩尔定律认为，处理器上可以集成的晶体管数量，大约每18个月翻一番。最新的英特尔芯片就是桑迪桥（Sandy Bridge），采用的制造工艺，可以把2.3亿个晶体管放在相距32纳米的空间。相比之下，单个磷原子，只有0.1纳米的直径，这会极大地缩小处理器的尺度，就使用这种技术，尽管可能需要很多年，单原子处理器才能实际制出来造。


电压施加到电极上，诱发的电流位于垂直电极中，采用磷原子就使这一切成为可能。来源：普渡大学

这种单原子晶体管确实有一个严重的局限性：它必须保持非常低的温度，至少要像液氮一样冷，或者说零下391华氏度（零下196摄氏度）。
“这一原子放置在电位或通道中，要让它表现得像一个晶体管，电子就必须留在通道中，”克里麦克说。“在较高的温度下，电子运动得更多，会离开这一通道。为了让这一原子表现得像金属，就必须使电子包含在通道中。”
“如果有人开发出一种技术，可以包含电子，那这种技术可以用来制成一种计算机，可在室温下运行。但是，这是这项技术的一个根本问题。”

单原子晶体管采用确定性定位的磷原子，置于外延硅中。
a)透视图，扫描隧道显微镜（STM）图像显示的这一设备，其中，氢脱附区域定义源（S）和漏极（D）导线，以及两个电门（G1，G2），这一区域显得凸出，是因为增加的隧道电流穿过硅自由键（dangling bond），这些状态已被创造出来。随后掺杂磷化氢（phosphine），这些区域形成高度掺磷的共平面传输电极，具有单原子高度，这被标志为一个单一的磷原子，就在设备中心。也可见几个原子运行，横跨硅表面。b)，特写图：内部设备区域（a中的虚线框内），中央明亮突起的是硅原子，它凸出来是因为单个磷原子结合到表面时。 c)，化学反应的原理图，确定性地把单磷原子纳入表面。饱和剂量的三-二聚体残余（three-dimer patch）在室温退火要在350°C，会连续分解磷化氢（II-IV），随后把单个磷原子集成在在表面层，这个过程中，会凸出硅吸附原子。来源：普渡大学

虽然之前已经有人观察到单个原子可作为晶体管，但这是第一次，单原子晶体管可进行控制设计，达到原子精度。这种结构甚至有标记，研究人员可以连接电触头，施加电压，马丁•富席勒（Martin Fuechsle）说，他是新南威尔士大学研究人员。也是这篇期刊论文的主要作者。
“这件事是独特的，我们所做的是，我们在原子精度，在我们的设备中定位了单个原子，”富席勒说。
西蒙斯说，这种控制是关键的一步，可以制备单一原子的装置。“我们已经能够放置单个原子，这样，我们同时就开发出一种技术，使我们能够放置几个这样的单原子装置，目标是开发可扩展的系统。”
这种单原子晶体管可能引导制成量子计算机，这种计算机运行，需要控制电子，从而控制量子信息，或量子比特。然而，一些科学家怀疑，这种装置是否可以制成。
“这个成果是一个重要的里程碑，可以扩展硅量子计算，但是，它没有回答的问题是，量子计算是否可能，”西蒙斯说。“这个问题的答案在于，量子相干性（quantum coherence）是否可以控制大量的量子比特。我们已经开发的技术有望可以扩展，使用相同的材料，就像硅产业一样，但需要更多的时间来实现这一目标。”
克里麦克说，尽管存在这些障碍，这一单原子晶体管仍然是一个重要的进展。
“这使人大开眼界，因为这种设备性能就像硅中的金属一样，这将导致更多的发现。”