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量子计算还要超低温?斯坦福新材料:常温就可以

经过60年的发展,计算机已变得更小更快,价格也越来越便宜。但硅基晶体管的尺寸和运算速度已接近极限的边缘,如何使传统计算机突破上述极限,研究人员似乎已计穷智竭。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。但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。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。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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