量子计算技术再获神器 科学家开发出新的成像技术

最近，《Science》子刊《Science Advances》上发表的一篇论文称，研究团队开发了一种能够窥探硅晶体内部结构的非侵入性成像技术。这很有可能成为测试常规硅基芯片的有效方法，且可能为下一代的量子计算技术奠定基础。

这支来自奥地利林茨大学、伦敦大学学院、苏黎世联邦理工学院和瑞士洛桑联邦理工学院的国际团队将现有成熟的显微技术——扫描微波显微镜（Scanning Microwave Microscopy, SMM）运用到对硅芯片中人工掺入杂质的检测当中，整个成像过程不会对芯片产生任何损害（半导体中会被掺入杂质来增强其导电和光学性质）。

图、磷-硅材料成像

扫描微波显微镜在生物细胞和新材料方面有广泛应用，其中包括石墨和其它半导体材料。它的工作原理结合了原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM)和矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer, VNA)——二者分别有测量样品特定部分的纳米探针，以及往探针上传输的微波信号的装置。该信号会在样本中反射，并回到矢量网络分析仪中进行计算，最后整套仪器会反馈样本的三维图像和电学性质。

研究者使用扫描微波显微镜扫描样本，具体探测了硅晶表层下成一定规律排列的磷原子的电学性质。在这一方法下，研究者成功检测了在表面4-15纳米之下的1900-4200个紧密排列的原子。

当然，诸如二次离子质谱分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）之类的技术也可以用于检测半导体中人工参入的杂质，但是扫描微波显微镜的主要优势是，它不会对样本有任何损坏。

在IEEE Spectrum 的一个邮件采访中，本实验的领导者、奥地利林茨大学的Georg Gramse 表示："从对硅芯片扫描的新技术中，我们能预见到对全球行业的潜在冲击。因为在芯片集成电路越来越小的情况下，测量过程已经变得无比困难且耗费时间，而且可能会损坏芯片本身。"

图、SMM和VNA对材料的测量结果

除了对硅基芯片的一系列影响，Gramse相信，这项技术可能对未来的磷-硅量子计算机的制造工艺做出贡献。

与经典计算机基于晶体管（晶体管的开关对应二进制的0和1）的工作原理不同，量子计算通过既可以代表0又可以代表1的量子比特处理数据。

四年前，人们开始用制造传统计算机的硅材料制造量子计算机，但难点在于硅晶体中磷原子的植入，而磷原子的自旋正是量子比特承载体。

新的成像技术对磷-硅量子计算机的实现奠定了基础，因为人们能把扫描微波显微镜集成到现有的探测仪器中。这将大大加快三维结构的制造速度，因为该技术也能被应用于光刻工艺中原子掺杂的迭代控制。

Gramse最后说："目前，我们正在研究磷原子层的物理性质，这将是通往磷-硅量子计算机的下一步。"