Nature重磅：硅材料的三个重大发现

硅在人们的生产生活中扮演着重要的角色。在1824年，瑞典化学家贝采里乌斯首次制备出硅单质。而这一发现，开启了硅元素的探索之路。随后，晶体硅、有机硅材料也相继被研发出来。直至今日，硅材料也是现代科技中的一个重要组成部分。硅在空气中具有良好的化学稳定性，其高温下的性质则与铝类似，会在表面处形成一层致密的二氧化硅薄膜，防止进一步被氧化。硅在自然界中的含量仅次于氧元素，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，例如：石英、沙子、云母和玛瑙等。硅的电子结构模型与碳元素类似，最外层有两个s轨道电子和两个p轨道电子，可形成多重杂化轨道，因此通过硅可以合成出多种氧化物。由于硅的原子序数更高，对最外层电子的束缚能力明显弱于碳，导致硅在激发条件下容易失去电子，具有很强的光电转换性能。由于这些特性，使得硅在计算机、集成电路、智能芯片等行业中得到广泛的应用，成为了构建信息时代的基石。随着研究者的不断探索，硅材料更多的特性被发掘。下面，我们就来报道一下近期有关硅材料的三个重大发现。 

保真度是指表征电子设备输出再现输入（声音、视频、图像等）信号的相似程度。保真度越高，输出的信号就越逼真。硅量子点的电子自旋特性对量子计算机的相干行为、高温运行能力等有着重要的影响。单量子比特门保真度在高于容错阈值的情况下可以通过常规方法来实现。然而，由于操作的复杂性以及缓慢的相干性，双量子比特门保真度在低于容错阈值的情况下仅为98%，本机双量子比特门的自旋量子位包括SWAP函数、控制相以及旋转控制系统，这些均取决于硅量子点之间的交换耦合作用。通过栅极电压脉冲可以有效控制硅量子点之间的交换耦合，确保SWAP函数、受控相位门具有较高的带宽及精度，从而构成高保真门。其中，旋转控制系统可以通过减少相应的脉冲信号将其量子点固定到联轴器上。随着量子比特门的增加，保真度仅为98%，则产生较大的光失相行为，导致严重的失真现象。而改善光失相的关键点在于让仪器具有更快的运行速率来超过超越容错阈值。为了放大硅自旋量子位，需要一种可靠而有效的高保真门调谐方法来解决这一问题。

对此，日本理化学研究所新兴物质科学中心Akito Noiri等研究团队开发出了一种由硅和硅锗合金堆栈组成的新型双量子比特系统，将其中量子信息被编码并限制在量子点的电子自旋中。结果表明：单量子比特保真度高达99.87%，双量子比特的保真度为99.65%。在加入相邻量子比特的串扰和空转误差的情况下仍能保持较高的保真度（99%以上）。并有效地证实了双量子比特门的保真度可以通过微磁体诱导的梯度场以及双量子比特耦合来改进。

该研究首次使自旋量子比特在通用量子控制性能方面与超导电路及离子陷阱相抗衡，为硅量子计算机的研发奠定了基础，成果以“Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon”为题发表在nature期刊上。 

数字图像传感器主要是利用材料的光电转换性能，将感光面上的光信号转变为与光信号成相应比例关系的电信号，并进一步以数字量或数字编码的形式输出。其中，数字互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器使二维成像技术得到进一步的发展。作为一种典型的固体成像传感器，利用透镜将光线聚焦在探测器上形成图像，主要包括敏感单元阵列、行列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据端口。具有很强的随机读取以及抗辐射能力。因此在二维成像领域中有着广泛的应用。然而，二维成像技术丢失了很多的物理信息，如物体的几何尺寸以及空间距离等。对此，自2018年研究者提出了三维成像技术的设想。三维成像技术在军用、民用以及航空航天领域中会带来很大的经济效益及社会价值。如无人飞机、远程导弹、雷达、机械设计以及海底声纳探索等。其中，光学相控阵是一种有效的技术。

对此，Christopher Rogers等研究团队基于焦平面理论，设计出一种新型全固态的三维CMOS图像传感器。该传感器可以有效地利用光线，实现精准的三维图像，并且在高温、高压等恶劣的环境下仍能保持很好的性能。研究者利用光子和电子电路的单片集成原理，将光学外差探测器的密集阵列与集成的电子读出架构相结合，结果表明该阵列可以在很大的范围内延展。通过两轴固态的光束转向，可以在一定程度上减少由距离引起的视差。在量子噪声的存在下，传感器在75米的距离达到3.1毫米的精度，仅消耗4毫瓦的光，具有极高的精度。该研究小组指出，与其他基于芯片的激光雷达系统相比。

本论文中的硅光子学系统在远距离操控方面具有无可比拟的优势，由此也表明硅光子技术在激光雷达集成系统具有很大的研究价值。为三维激光雷达的探测、识别以及成像方面提供了可靠的技术支持。其研究成果以“A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform”为题发表在nature期刊上。 

核自旋是固体中最相干的量子系统状态，与外界环境的耦合能力非常弱，在量子信息处理的背景下相干与记录单量子比特门的保真度有关。然而，如何在弱耦合下实现多量子比特的逻辑运算仍然是一个重大的研究课题。对此，部分研究者尝试利用金刚石和碳化硅中的自旋缺陷，将多个原子核耦合到一个公共原子核来构建电子自旋系统，从而产生量子寄存器，可以维持小的量子逻辑运算与纠错。通过光量子连接是构建电子自旋系统的一个有效地手段。到目前为止，利用核自旋来产生量子寄存器仍然面临着很多挑战，比如密集的量子比特需要被集成在同一半导体芯片中运行。这需要将核量子位中的原子通过物理移动的方法纠缠在一起，并在电子核量子处理单元中穿插自旋读出装置。

对此，Mateusz T. Mądzik研究小组在硅纳米电子器件中使用一对离子注入的P施主原子核，来设计出一种通用量子逻辑操作。通过将几何相位赋予共享电子自旋，并用于制备保真度高达94.2%的纠缠贝尔态，可获得核双量子位元受控门。量子运行机制可以通过门集层析成像技术精确表征，并产生一个量子位平均门，保真度高达99.95%，双量子比特平均门保真度为99.37%，双量子比特制备/测量保真度高达98.95%。这三个指标表明硅中的核自旋的性能可达到量子处理器的性能标准。研究小组展示两个原子核之间的纠缠过程，通过产生一个格林伯格-霍恩-齐林格三量子位来共享电子，其保真度为92.5%。该半导体中的电子自旋量子位可以进一步耦合到其他电子传感器，并在物理上可以穿梭于不同的位置。该研究为可伸缩量子信息提供了一条可行的途径。其研究成果以“Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon”为题发表在nature上。

随着硅材料在量子计算机、三维影像传感器以及量子处理器的精确层析成像方面取得的突破，预示着硅光子技术将逐渐成为未来互联网产业的核心。在未来的大数据时代，互联网的使用量将持续增长，需要传输的数据量越来越多。而现有设备的信号传输性能已经很难满足人们的需求。为此，将高速通信取代电子信号作为传输方式，可大大提高信息传输效率，而硅光子技术通过光信息传送与接收，可使处理器内核之间的数据传输速率提高100倍以上。利用大规模半导体制造工艺，将各种硅光子器件（调制器、放大器、探测器等）整合在一起，配合高速驱动、读取器以及时钟电路等形成功能化模块系统，并大规模应用于超级计算机、无人驾驶系统、雷达识别以及高科技军事武器等诸多领域。从而在提高我国综合国力的同时，也大幅度改善人民的生活水平。虽然硅光子技术在我国仍然处于萌芽阶段，面临着很多挑战，但随着研究者们的不断努力，这些挑战总能够得到克服。

1. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y

2. https://www.nature.com/articles/s41586-021-03259-y

3. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7