三種芯片材料讓量子計算機跨越應(yīng)用“冰山”

  計算機剛出來一個大體積慢慢的隨著社會的發(fā)展讓它變得越小越快，價格也越來越便宜。 但硅基晶體管的尺寸和運算速度已接近極限的邊緣，如何讓傳統(tǒng)計算機突破上述極限。

  為了解決這一問題，科學(xué)家們開始尋求用基于光子的量子計算機取代傳統(tǒng)硅基計算機。量子計算機能更快執(zhí)行各種復(fù)雜計算，研究生物系統(tǒng)，創(chuàng)建加密和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，解決許多涉及多種變量的難題。

  但現(xiàn)有量子計算技術(shù)中，一些前沿性研究需要將材料冷卻到零度(-273.15℃)左右，這阻礙了量子計算機從理論到實用的進(jìn)程。美國斯坦福大學(xué)電子工程系教授伊蓮娜·沃科維克帶領(lǐng)其團(tuán)隊，近日分別在雜志上發(fā)表了3篇**，宣稱他們已經(jīng)研制出能在室溫下操作的量子芯片材料，包括一種量子點、二種“色心”，使量子處理裝置向?qū)嶋H應(yīng)用跨出一大步。

  海底撈針：量子計算機不怕

  作為量子計算機領(lǐng)域的前沿科學(xué)家，沃科維克表示：“當(dāng)人們認(rèn)為一件事不可能完成時，喜歡用‘大海里撈針’來形容，但量子計算可以做到。”量子計算機之所以擁有如此強大的能力，在于其依賴的激光與電子間相互作用的復(fù)雜性，這是相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)。

  量子計算機的工作原理是將自旋電子封閉在一種新型半導(dǎo)體材料內(nèi)，當(dāng)用激光照射它們時，激光能與電子相互作用，使電子呈現(xiàn)不同的自旋狀態(tài)。傳統(tǒng)計算機基于數(shù)字0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)運行；而量子計算機則基于量子比特進(jìn)行運算。這些量子比特是**0和1的兩種狀態(tài)的疊加，可以是0和1之間的任何數(shù)值。沃科維克說：“在量子系統(tǒng)內(nèi)，激光撞擊電子能創(chuàng)建許多可能的自旋態(tài)。自旋態(tài)越多，能執(zhí)行的量子計算就越復(fù)雜?！?/p>

  近20年來，沃科維克實驗室一直專注于研發(fā)能在室溫環(huán)境下運行的量子芯片。**近，他們與其他實驗室合作，對三種材料進(jìn)行了測試，結(jié)果其中一種材料完全能在室溫下運行，使量子計算機邁出了重要一步，不再只是“紙上談兵”。

  全新量子點：精確控制光子輸入輸出

  沃科維克團(tuán)隊基于三種不同材料研制出三種基本功能單位，其作用類似于傳統(tǒng)硅基芯片中的晶體管。他們基于半導(dǎo)體晶體材料，通過調(diào)整晶體內(nèi)的原子陣列，創(chuàng)建出能將單個自旋電子“禁閉”起來的結(jié)構(gòu)單位。

  一篇**描述的色心在鉆石中構(gòu)建而成。天然鉆石的晶格由碳原子構(gòu)成，但他們用硅原子取代鉆石中的部分碳原子，在鉆石晶格中創(chuàng)建出多個色心。這些鉆石色心能捕獲自旋電子，但仍需制冷到一定溫度。

  沃科維克還與其他團(tuán)隊合作，開發(fā)出第三種材料——修飾碳化硅色心。他們在另一篇**中描述了對這種材料的測試結(jié)果。碳化硅是一種堅硬透明的晶體，常用來制造離合器板、剎車片和防彈背心。之前有研究報道，對碳化硅進(jìn)行修飾后能制成在室溫下工作的色心，但效率不高，不能用來研制量子芯片。而沃科維克團(tuán)隊通過敲除碳化硅中的部分硅原子，研制出了色心。然后，他們再在色心周圍加入納米線結(jié)構(gòu)，**改進(jìn)了色心捕獲電子的能力。

 量子計算機研究領(lǐng)域的一大突破，為量子芯片的研制提供了可供實際操作的方法。