新型硅结构开启量子计算机之门 _知识经验

文章插图
该团队建造了一个门来控制电子之间的相互作用，这样它就可以作为量子计算的信息量子位或量子位。这种几乎没有错误的双量子比特门的演示是用硅构建更复杂的量子计算设备的重要早期步骤，硅与传统计算机和智能手机中使用的材料相同。
普林斯顿大学物理学教授杰森佩塔(JasonPeta)说：“我们知道，如果硅基技术在扩大规模和制造量子计算机方面有前景，我们需要让这个实验成为现实。”“这个高保真双量子位门的创建，为大规模实验打开了大门。”
与其他实现量子计算机的技术相比，硅基器件可能更便宜、更容易制造。尽管其他研究小组和公司已经宣布量子设备包含50个或更多的量子比特，但这些系统需要特殊的材料，例如超导体或由激光固定的带电原子。
量子计算机可以解决传统计算机无法访问的问题。这些设备可能能够计算大量的数字，或者找到复杂问题的最佳解决方案。它们还可以帮助研究人员了解微小粒子(如原子和分子)的物理性质，从而在材料科学和药物发现领域取得进展。
构建量子计算机需要研究人员创建量子比特，并以高保真度将它们耦合起来。硅基量子器件利用被称为“自旋”的电子的量子特性来编码信息。旋转可以像磁铁的北极和南极一样向上或向下。相反，传统计算机通过操纵电子的负电荷来工作。
【新型硅结构开启量子计算机之门】为了实现高性能，基于自旋的量子器件受到自旋状态脆弱性的阻碍——它们很容易从上到下翻转，反之亦然，除非它们可以在非常纯净的环境中被隔离。通过在普林斯顿的量子器件纳米加工实验室建立硅量子器件，研究人员可以在相对较长的时间内保持自旋相干性——也就是说，在量子状态下。
为了建造一个双量子位门，研究人员在高度有序的硅晶体上层叠微小的铝线。这些线提供的电压可以捕获由电子势垒分隔的两个单电子，这被称为双量子点阱结构。
通过暂时降低能量势垒，研究人员允许电子共享量子信息，并创造一种称为纠缠的特殊量子状态。这些被捕获和纠缠的电子现在可以作为量子比特使用，它们就像传统的计算机比特一样，但具有超强的能力：传统的比特可以表示零或一，每个量子比特既可以是零也可以是一，这极大地扩展了可以立即进行比较的数字的可能排列。
该研究的第一作者、普林斯顿大学物理系研究生大卫扎亚茨说：“我们面临的挑战是，很难建造出足够小的人工结构，既能捕获和控制单个电子，又不会破坏其长时间的存储。”“这是硅中两个电子自旋之间纠缠的第一个证明，已知这种材料为电子自旋状态提供了最干净的环境之一。”
研究人员已经证明，他们可以使用第一个量子比特来控制第二个量子比特，这表明该结构充当受控的非(CNOT)门，这是常用计算机电路组件的量子版本。研究人员通过施加磁场来控制第一个量子比特的行为。门根据第一个量子比特的状态产生一个结果：如果第一个自旋指向上，第二个量子比特的自旋将翻转，但是如果第一个自旋指向下，第二个自旋将不会翻转。
Peta说：“闸门基本上意味着，如果另一个粒子处于某种状态，它只会对一个粒子做一些事情。"一个粒子的变化取决于另一个粒子."
研究人员已经表明，他们可以保持电子自旋的量子状态，保真度超过99% ，门工作可靠，在75%的时间内转动第二个量子比特的自旋。据研究人员称，这项技术可能会以更低的错误率扩展到更多的量子位。
加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授洪说：“这项研究在全球竞争中脱颖而出，展示了硅基量子比特中量子计算的基本构件：CNOT门。”“两个量子比特操作的错误率是一个明确的基准。特别令人印象深刻的是，这个非常困难的实验，需要精确的器件制造和精确的量子态控制，是在一个只有少数研究人员组成的大学实验室里完成的。”