在过去的几十年里，物理学家和工程师一直在尝试开发各种利用量子力学效应的技术，包括量子显微镜。这些显微镜工具可用于深入研究量子粒子和量子态的特性。

硅量子计算(SQC)/新南威尔士大学和墨尔本大学的研究人员最近创建了一种新型固态量子显微镜，可用于控制和检查硅中原子量子位的波函数。《自然电子》杂志上发表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技术。

“量子位器件的操作通常依赖于量子位波函数的移动和重叠，这与电子的空间分布有关，因此对后者的全面了解为有效构建量子电路提供了独特的见解，”BenoitVoisin和SvenRogge进行这项研究的两名研究人员告诉Phys.org。

“在量子位器件测量过程中，关于波函数的空间信息通常是不可能的，因为这些测量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直接访问量子态的完整空间范围(“STM)，我们开发了它以原子精度将原子放置在硅中。在本文中，我们直接在显微镜内结合了用于设备操作的波函数的本地控制。”

SQC/UNSWSydney的实验室此前一直在制造量子位设备并开发扫描隧道显微镜，利用嵌入硅中的单个磷原子并行成像量子位波函数。在他们的新论文中，沃赞、罗格和他们的同事试图将这两种不同的研究成果合并到一个平台中。更具体地说，他们着手实现一种量子显微镜，可以在单个设备中使用局部电极同时绘制和控制原子量子位。

沃赞和罗格说：“量子显微镜是一种工具，可以以原子精度设计原子阵列，并且可以本地控制和测量每个原子或量子位。”“类似的显微镜存在于冷原子领域，其中激光技术在真空中使用。我们的固态版本量子显微镜非常类似于晶体管，局部电极定义源极和栅极侧，STM尖端充当晶体管漏极可以以皮米分辨率从一个量子位移动到另一个量子位并扫描它们的波函数。”

研究人员创建的新型量子显微镜是通过结合两种不同的技术创建的。更具体地说，他们使用原子精密光刻引入掺杂剂原子和更传统的离子注入技术来为其设备创建电极。这种独特的量子显微镜制造方法是新南威尔士大学首创的。

Voisin和Rogge解释说：“量子位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小片解吸氢中掺入一些磷原子。”与在导电基板上进行的典型STM实验相反，我们的显微镜在绝缘硅上运行，我们必须设计一种光辅助协议，首先稳定STM尖端，然后才能绘制出量子位波函数。”

研究人员的显微镜本质上利用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，这种方法简化了大型量子位阵列测量的收集，无需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表示：“在设备运行期间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，帮助我们了解如何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时，我们的量子显微镜将有助于加快制造周期，从而提高设备性能。”

原子精密光刻和离子注入是两种不同的工艺，通常在完全不同的实验室条件下实现。因此，将这两种技术集成到一个设备中是该团队的一项了不起的成就。

Voisin、Rogge及其同事最近的研究可能会给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。未来，他们提出的方法可以应用于基于其他固态系统(例如分子和磁性原子)的显微镜。

新南威尔士大学的SQC实验室目前正在探索两个关键研究方向。首先，他们试图通过对显微镜内的量子位进行微波相干操作来超越最近论文中演示的局部静电控制。

Voisin和Rogge补充道：“要做到这一点，我们需要低于100mK的温度和有限的磁场，我们目前正在调试能够提供这些功能的新设备。”“我们正在探索的第二个应用是创建和探测新的相关物质状态，这些状态对于使用经典计算技术进行模拟或使用冷原子等其他实验平台来实现具有挑战性。

“我们将在预计会出现拓扑和超导状态的体系中制造彼此强耦合的大型量子位阵列。这是一个非常令人兴奋的领域，我们将精密制造与直接观察波函数的能力相结合，将开辟新的视野在我们对世界的原子理解中。

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标签：量子原子显微镜