建立一個矽基量子位元（量子位元是量子計算機的基本資訊單位），首先是一個原子平面的矽表面（左），上面覆蓋了一層氫。在右邊，達拉斯大學研究人員去除氫原子的區域被高亮顯示。

量子計算機有潛力透過解決傳統計算硬體無法解決的複雜最佳化問題來改變醫學、網路安全和人工智慧等領域。但是大規模生產這種裝置的技術還不存在。

德克薩斯大學達拉斯分校的研究人員開發了一種技術，可以消除矽量子器件生產規模化的挑戰之一。研究人員概述了他們的方法，這種方法在製造過程中提供了更好的控制和精度，在5月28日線上發表的一項研究以及7月出版的《真空科學與技術雜誌》上發表的一項研究中，矽是量子器件基礎材料的首選材料，因為它與傳統半導體技術相容。

該研究的通訊作者雷扎·莫海瑪尼博士，詹姆斯·馮·埃赫爾科學技術主席在2019年獲得了美國能源部的240萬美元撥款，用於發展原子精確製造技術（一個原子一個原子地建造新材料和新裝置的過程）。

莫海瑪尼的團隊正在解決量子器件製造的一系列挑戰。“我們最新的工作提高了製造過程的精度，”莫海瑪尼說。“我們還在努力提高產量、速度和可靠性。”

研究人員建立矽基量子位元的方法是，首先在原子平坦的矽表面上塗上一層氫，以防止其他原子或分子被吸收到表面。接下來，研究人員使用掃描隧道顯微鏡（STM），它的特點是一個具有原子尖端的探針，就像微型機械手臂一樣，選擇性地從表面移除氫原子。STM被設計用於在表面成像原子特徵，然而，研究人員也使用該裝置以一種稱為氫去氧化光刻（HDL）的模式操縱原子。

這個艱苦的過程包括將探針置於氫原子之上，在探針樣本偏置電壓上新增高頻訊號，並提高高頻訊號的振幅，直到氫原子脫離表面，露出下面的矽。在預定數量的氫原子被有選擇地從表面移除後，將磷化氫氣體引入環境中，經過一個特定的過程後，磷原子被吸附到表面上，每個磷原子都起量子位元的作用。

傳統HDL的問題在於，操作員很容易拔出錯誤的氫原子，從而在不需要的位置產生量子位。將STM用於HDL所需要的電壓要高於成像所需要的電壓，這常常會導致尖端撞到表面樣本中，從而迫使操作員重新開始。

研究人員在研究STM尖端碰撞問題的解決方案時，發現了一種更精確的操縱表面原子的方法。

“傳統的光刻技術無法達到所需的原子精度，”莫海瑪尼說。“問題是我們使用顯微鏡進行光刻；我們正在使用裝置去做一些它原本不應該做的事情。”研究人員發現，透過在成像模式下執行HDL（而不是傳統的光刻模式），可以對電壓進行一些調整並更改STM的反饋控制系統，從而可以實現更高的精度。

莫海瑪尼說：“我們意識到，我們實際上可以用這種方法以可控的方式去除氫原子。”這真讓人吃驚。這是實驗過程中會發生的事情之一，你試圖解釋它，並利用它。”

量子計算機有望比目前的計算機儲存更多的資訊。該研究的主要作者、機械工程博士生哈米德·阿勒曼蘇爾說，目前傳遞資訊的電晶體不能再做得更小。

目前用於製造電晶體的技術已經達到了極限。透過傳統方法很難再減小尺寸。

傳統計算機使用精確的1和0值進行計算，而量子計算機的基本邏輯單元則更加靈活，其值可以同時以1和0的組合形式存在，也可以介於兩者之間。一個量子位可以同時表示兩個數字，這一事實使得量子計算機處理資訊的速度要快得多。

接下來的挑戰之一將是開發同時執行多個STM技巧的技術。如果我們可以用10個或100個針尖平行排列，這樣我們就可以用同樣的光刻技術乘以100倍。如果我們能以10倍的速度生產100個量子位元，那這將提高1000倍了。