Очистка кремния для компьютерных чипов началась в 1950-х годах, и хотя отрасль достигла приемлемых стандартов чистоты для обычных компьютерных чипов, квантовые вычисления все еще требуют более чистого кремния. Поэтому исследователи в Англии разработали способы устранения изотопов, которые нарушают хрупкие состояния кубитов в кремнии. Этот процесс может сделать квантовые вычисления на основе кремния более осуществимыми и экономически эффективными.
Изотоп Кремний-28 (Si 28) составляет более 90 процентов природного кремния. Но 4,5 процента сырого кремния состоит из Si 29, содержащего один дополнительный нейтрон, который фактически придает изотопу чистый ядерный спин, который может нанести ущерб хрупким состояниям электронного спина кремниевого кубита. Таким образом, чтобы создать квантовые компьютеры с максимальным временем когерентности — и, следовательно, компьютеры, которые могут выдерживать самые длительные и сложные вычисления — как можно больше Si 29 должно быть удалено или каким-то образом извлечено из кремниевой подложки кубита.
Очищенный кремний-28 не имеет спина. А кубит без спина может сохранять свое квантовое состояние в течение более длительного периода времени. Изотоп кремния, например кремний-29, действительно имеет спин. Вращение создает достаточно магнитного шума, чтобы повлиять на квантовое состояние кубита и вызвать его коллапс.
Потенциал масштабирования может быть огромным. Спиновые кубиты в кремнии имеют превосходную точность, но только после некоторой изотопной очистки. Более высокая степень чистоты с помощью метода, который можно интегрировать в промышленные процессы, немедленно обеспечит лучшую согласованность и упрощение операций, что позволит масштабировать эту технологию до миллионов кубитов, необходимых для меняющих мир приложений.
Хотя были предприняты некоторые попытки уменьшить присутствие кремния-29 в кремниевых пластинах, они увенчались ограниченным успехом. Группа исследователей из Манчестерского университета в Великобритании и Мельбурнского университета в Австралии предложила новый подход к проблеме. Вместо того, чтобы пытаться очистить всю кремниевую пластину, они решили уменьшить содержание Si 29 только в тех областях, которые будут использоваться кубитом.
Сфокусированный ионный луч кремния-28 поражает естественную кремниевую пластину, вытесняя нежелательный изотоп кремния-29, в рамках новой технологии очистки, которая может быть использована для того, чтобы сделать кремниевую пластину более подходящей для размещения спиновых кубитов.
Для этого пластину поместили в вакуум и бомбардировали область мишени сфокусированным пучком ионов из 28 атомов Si. Когда луч попадает на пластину, он вытесняет существующие атомы кремния, заменяя их только изотопом Si 28. Они использовали устройство, которое производило луч диаметром около 500 нанометров. Этот луч подвергался растровому сканированию по квадратной целевой области со стороной 22 нанометра. По словам исследователей, этой площади достаточно для размещения массива из 12 000 кубитов. Затем пластина проходит двухэтапный процесс отжига, чтобы вернуть облученный материал в кристаллическую фазу.
Исследователям удалось получить образцы с содержанием Si 29 менее 3 частей на миллион — примерно на 1/10 000 меньше примесей, чем в природном кремнии.
Обрабатывая только целевые области, этот процесс становится более эффективным и масштабируемым, чем другие процессы, в которых пытаются физически разделить изотопы, например, с помощью центрифуги. Дополнительным преимуществом процесса ионно-лучевого обогащения является то, что он не вносит в кремниевую пластину другие загрязнения. Другие процедуры могут привести к введению дополнительного углерода и кислорода в процессе обогащения.
Ричард Карри, профессор современных электронных материалов в Манчестерском университете, говорит, что исследовательская группа хотела разработать технологию, которая «была бы масштабируемой и совместимой со стандартными процессами обработки кремниевых устройств». «Это позволит использовать его в будущем производстве квантовых технологий на основе кремния.