對可擴展量子計算平臺的追求促使材料科學和工程學取得了重大進步。其中最有前途的途徑之一是在硅晶體內開發固態自旋量子比特。這些量子比特在毫開爾文溫度下運行，有潛力徹底改變量子計算。然而，它們的性能常常受到硅-29同位素的影響，硅-29具有非零核自旋，可以導致量子比特退相干。為了解決這一挑戰，研究人員開發了一種使用局部聚焦離子束植入法富集硅-28同位素的方法。

為何選擇硅-28

硅是地殼中第二豐富的元素，是構成現代電子產品基礎的半導體。然而，天然硅中約含有4.67%的硅-29同位素。這種看似微小的差異在量子計算領域具有重大意義。量子計算機的基本信息單位——量子比特，容易受到與周圍環境（包括宿主材料）相互作用而產生錯誤，其中就包括核自旋。硅-29具有核自旋，可以與量子比特的電子自旋相互作用，導致退相干 ——量子比特量子態的丟失。

而硅-28則不存在這一問題，它具有零核自旋，顯著降低了這種退相干效應，從而為更長的量子比特相干時間和更可靠的量子操作奠定了基礎。通過富集硅中的硅-28，研究人員可以創建一種天然抑制這些錯誤的材料，從而實現更穩健、更強大的量子計算機。

聚焦離子束的強大功能

傳統的同位素富集方法依賴于寬束離子注入。然而，該技術存在局限性，需要較長的照射時間才能達到所需的富集水平，且對于在大型芯片內創建局部富集硅區域而言，該工藝可能不切實際。

局部聚焦離子束(FIB)注入技術則提供了解決方案。它利用精確聚焦的硅-28離子束，可在硅芯片的特定區域實現局部富集。這種方法具有以下優勢：

• 更短的注入時間：與寬束方法相比，聚焦束的特性使研究人員能夠在更短的時間內實現所需的富集水平。

• 空間控制：能夠精確聚焦光束，允許在大型芯片內創建圖案化的富集硅區域。這種靈活性對于量子計算硬件所需的復雜設計至關重要。

• 與現有制造工藝的兼容性：FIB技術可以與現有的半導體制造工藝集成，從而最大限度地減少對基礎設施的更改需求。

展望未來

利用FIB注入技術成功演示了局部硅-28富集，結果顯示出最小的殘留硅-29濃度，降至2.3 ± 0.7 ppm，這標志著量子計算技術發展中的重要里程碑。該方法提供了一種實用且可擴展的方法，用于創建高保真硅基底，這對于實現可靠的量子操作至關重要。

潛在的應好處不僅限于量子計算，這項級數還可應用于其他領域，例如自旋電子學和超靈敏磁力測量，在這些領域中降低退相干至關重要。然而，仍存在一些挑戰。研究人員需要進一步改進FIB注入工藝以實現更高的富集水平，并針對不同的器件架構優化注入參數。此外，將這些富集區域與量子芯片內的其他功能組件集成也提出了復雜的工程挑戰。