在过去的几十年里，物理学家和工程师们一直在努力开发各种利用量子力学效应的技术，包括量子显微镜。这些是显微镜工具，可以用来深入研究量子粒子和量子态的性质。
硅量子计算(SQC)/新南威尔士大学悉尼分校和墨尔本大学的研究人员最近创造了一种新的固态量子显微镜，可用于控制和检查硅中原子量子比特的波函数。发表在《自然电子》杂志上的一篇论文介绍了这种显微镜，它结合了两种不同的技术，即离子注入和原子精密光刻。
“量子比特设备的操作通常依赖于量子比特波函数的移动和重叠，这与电子的空间分布有关，所以对后者的全面了解为有效地构建量子电路提供了独特的见解，”进行这项研究的两位研究人员Benoit Voisin和Sven Rogge告诉Phys.org。
“在量子位器件测量期间，关于波函数的空间信息通常是不可能的，因为这些是基于整个量子态的固定电荷传感。然而，可以使用扫描隧道显微镜(STM)直接访问量子态的完整空间范围，我们已经开发出以原子精度将原子放置在硅中。在本文中，我们将波函数的局部控制直接用于显微镜内的设备操作。
SQC/新南威尔士大学悉尼分校的实验室此前一直在制造量子位器件，并开发扫描隧道显微镜，使用嵌入硅中的单个磷原子来并行成像量子位波函数。在他们的新论文中，Voisin, Rogge和他们的同事试图将这两种不同的研究成果合并到一个单一的平台上。更具体地说，他们着手实现一种量子显微镜，可以在单个设备中同时用局部电极绘制和控制原子量子位。
“量子显微镜是一种工具，可以用原子精度设计原子阵列，并且可以局部控制和测量每个原子或量子位，”Voisin和Rogge说。“类似的显微镜存在于冷原子领域，在真空中使用激光技术。我们的固态版量子显微镜非常类似于晶体管，局部电极定义源端和栅极侧，STM尖端充当漏极，可以在量子位之间以皮米分辨率移动并扫描它们的波函数。”
研究人员创造的新型量子显微镜是通过结合两种不同的技术创造出来的。更具体地说，他们使用原子精密光刻技术来引入掺杂原子和更传统的离子注入技术来为他们的设备制造电极。这种制造量子显微镜的独特方法是新南威尔士大学首创的。
Voisin和Rogge解释说:“量子比特是使用原子精密制造技术定义的，通过在硅表面靠近源电极的解吸氢的小块中加入几个磷原子。”“与在导电衬底上进行的典型STM实验相反，这里我们的显微镜在绝缘硅上工作，我们必须设计一种光辅助方案，首先稳定STM尖端，然后才能绘制出量子比特波函数。”
研究人员的显微镜本质上是利用STM尖端作为可移动电极，这具有宝贵的优势。最值得注意的是，这种方法简化了大量子位阵列测量的收集，不需要使用越来越多的固定传感器，而是使用单个STM尖端测量整个阵列。
Voisin和Rogge说:“在设备运行过程中直接绘制量子位波函数的能力为我们提供了宝贵的预测性见解，帮助我们在扩展时优化设备设计，例如量子位之间的距离和方向。”“因此，在使用我们在SQC/UNSW实验室设计的原子量子位制造完整电路方面，我们的量子显微镜将有助于加快制造周期，以获得更好的设备性能。”
原子精密光刻和离子注入是两个截然不同的过程，通常在完全不同的实验室条件下实现。将这两种技术结合在一起，创造出一个单一的设备，这对团队来说是一个了不起的成就。
Voisin, Rogge和他们的同事最近的研究可能会在STM和量子显微镜领域带来新的创新浪潮，因为它引入了一种制造量子显微镜的新方法。在未来，他们提出的方法可以应用于基于其他固态系统的显微镜，如分子和磁性原子。
新南威尔士大学的SQC实验室目前正在探索两个关键的研究方向。首先，他们试图超越他们最近论文中展示的局部静电控制，通过对显微镜内的量子比特进行微波相干操作。
“要做到这一点，我们需要低于100mk的温度和有限的磁场，我们目前正在调试一种新设备，将提供这些能力，”Voisin和Rogge补充说。“我们正在探索的第二个应用是创建和探测物质的新相关状态，这些状态很难用经典计算技术模拟或用其他实验平台(如冷原子)实现。
“我们将制造彼此强耦合的大型量子比特阵列，在一个有望出现拓扑和超导状态的体制中。这是一个非常令人兴奋的领域，我们将精密制造和直接看到波函数的能力相结合，将为我们对世界的原子理解开辟新的视野。”
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希望本篇文章《固态量子显微镜中对硅原子量子点波函数的调控》能对你有所帮助！
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