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  美国斯坦福大学电子工程系教授伊莲娜-沃科维克带领其团队,近日分别在杂志上发表了3篇论文,宣称他们已经研制出能在室温下操作的量子芯片材料,包括一种量子点、二种“色心”,使量子处理装置向实际应用跨出一大步。


  据了解,现有量子计算技术中,一些前沿性研究需要将材料冷却到绝对零度(-273.15℃)左右,这阻碍了量子计算机从理论到实用的进程。为了解决这一问题,科学家们开始寻求用基于光子的量子计算机取代传统硅基计算机。量子计算机能更快执行各种复杂计算,研究生物系统,创建加密和大数据系统,解决许多涉及多种变量的难题。


  海底捞针:量子计算机不怕


  作为量子计算机领域的前沿科学家,沃科维克表示:“当人们认为一件事不可能完成时,喜欢用‘大海里捞针’来形容,但量子计算可以做到。”量子计算机之所以拥有如此强大的能力,在于其依赖的激光与电子间相互作用的复杂性,这是最关键的技术。


  


  量子计算机的工作原理是将自旋电子封闭在一种新型半导体材料内,当用激光照射它们时,激光能与电子相互作用,使电子呈现不同的自旋状态。传统计算机基于数字0和1的二进制系统运行;而量子计算机则基于量子比特进行运算。这些量子比特是代表0和1的两种状态的叠加,可以是0和1之间的任何数值。沃科维克说:“在量子系统内,激光撞击电子能创建许多可能的自旋态。自旋态越多,能执行的量子计算就越复杂。”


  近20年来,沃科维克实验室一直专注于研发能在室温环境下运行的量子芯片。最近,他们与其他实验室合作,对三种材料进行了测试,结果其中一种材料完全能在室温下运行,使量子计算机迈出了重要一步,不再只是“纸上谈兵”。


  全新量子点:精确控制光子输入输出


  沃科维克团队基于三种不同材料研制出三种基本功能单位,其作用类似于传统硅基芯片中的晶体管。他们基于半导体晶体材料,通过调整晶体内的原子阵列,创建出能将单个自旋电子“禁闭”起来的结构单位。


  第一种结构是量子点,有关论文发表在《自然?物理学》杂志上。量子点是由半导体材料制成的、直径不到20纳米的球形或半球形结构,外观呈极小的点状,能将自旋电子封闭在纳米球内。他们向砷化镓晶体内掺杂少量砷化铟制成的量子点,能成功通过激光—电子相互作用控制光子的输入和输出,而且,与之前发出单个光子不同,这次的光子能两两结伴而出。沃科维克表示,与那些需要低温制冷的量子计算机平台相比,他们的量子点更实用,虽然目前还不能用于创建通用量子计算机,但完全可用来创建防止篡改的安全通信网络。


  两种“色心”:从低温到室温的突破


  在另两篇发表于《纳米通信》杂志的论文中,沃科维克团队介绍了一种完全不同于量子点的方法:用“色心”技术捕获电子。色心是指透明晶体中的点缺陷、点缺陷对或点缺陷群,这些缺陷能捕获电子或空穴,吸收光子使晶体呈现不同颜色。


  一篇论文描述的色心在钻石中构建而成。天然钻石的晶格由碳原子构成,但他们用硅原子取代钻石中的部分碳原子,在钻石晶格中创建出多个色心。这些钻石色心能高效捕获自旋电子,但仍需制冷到一定温度。


  沃科维克还与其他团队合作,开发出第三种材料——高效修饰碳化硅色心。他们在另一篇论文中描述了对这种材料的测试结果。碳化硅是一种坚硬透明的晶体,常用来制造离合器板、刹车片和防弹背心。之前有研究报道,对碳化硅进行修饰后能制成在室温下工作的色心,但效率不高,不能用来研制量子芯片。而沃科维克团队通过敲除碳化硅中的部分硅原子,研制出了高效色心。然后,他们再在色心周围加入纳米线结构,大大改进了色心捕获电子的能力。


  沃科维克表示,他们研制的高效色心完全能在室温下操作,是量子计算机研究领域的一大突破,为量子芯片的研制提供了可供实际操作的方法。但她同时表示:“这三种材料哪种最终会脱颖而出,我们还需继续研究。”

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