三種芯片材料出奇招 讓量子計算機跨越“冰山”

　Iccsz訊 經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，計算機已變得更小更快，價(jià)格也越來(lái)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，如何使傳統計算機突破上述極限，研究人員似乎已計窮智竭。

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

　　但現有量子計算技術(shù)中，一些前沿性研究需要將材料冷卻到絕對零度(-273.15℃)左右，這阻礙了量子計算機從理論到實(shí)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)其團隊，近日分別在雜志上發(fā)表了3篇論文，宣稱(chēng)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(diǎn)、二種“色心”，使量子處理裝置向實(shí)際應用跨出一大步。

　　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：“當人們認為一件事不可能完成時(shí)，喜歡用‘大海里撈針’來(lái)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(lài)的激光與電子間相互作用的復雜性，這是最關(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體材料內，當用激光照射它們時(shí)，激光能與電子相互作用，使電子呈現不同的自旋狀態(tài)。傳統計算機基于數字0和1的二進(jìn)制系統運行;而量子計算機則基于量子比特進(jìn)行運算。這些量子比特是代表0和1的兩種狀態(tài)的疊加，可以是0和1之間的任何數值。沃科維克說(shuō)：“在量子系統內，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，能執行的量子計算就越復雜。”

　　近20年來(lái)，沃科維克實(shí)驗室一直專(zhuān)注于研發(fā)能在室溫環(huán)境下運行的量子芯片。最近，他們與其他實(shí)驗室合作，對三種材料進(jìn)行了測試，結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(diǎn)：精確控制光子輸入輸出

　　沃科維克團隊基于三種不同材料研制出三種基本功能單位，其作用類(lèi)似于傳統硅基芯片中的晶體管。他們基于半導體晶體材料，通過(guò)調整晶體內的原子陣列，創(chuàng )建出能將單個(gè)自旋電子“禁閉”起來(lái)的結構單位。

　　第一種結構是量子點(diǎn)，有關(guān)論文發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。量子點(diǎn)是由半導體材料制成的、直徑不到20納米的球形或半球形結構，外觀(guān)呈極小的點(diǎn)狀，能將自旋電子封閉在納米球內。他們向砷化鎵晶體內摻雜少量砷化銦制成的量子點(diǎn)，能成功通過(guò)激光—電子相互作用控制光子的輸入和輸出，而且，與之前發(fā)出單個(gè)光子不同，這次的光子能兩兩結伴而出。沃科維克表示，與那些需要低溫制冷的量子計算機平臺相比，他們的量子點(diǎn)更實(shí)用，雖然目前還不能用于創(chuàng )建通用量子計算機，但完全可用來(lái)創(chuàng )建防止篡改的安全通信網(wǎng)絡(luò )。

　　兩種“色心”：從低溫到室溫的突破

　　在另兩篇發(fā)表于《納米通信》雜志的論文中，沃科維克團隊介紹了一種完全不同于量子點(diǎn)的方法：用“色心”技術(shù)捕獲電子。色心是指透明晶體中的點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷對或點(diǎn)缺陷群，這些缺陷能捕獲電子或空穴，吸收光子使晶體呈現不同顏色。

　　一篇論文描述的色心在鉆石中構建而成。天然鉆石的晶格由碳原子構成，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(gè)色心。這些鉆石色心能高效捕獲自旋電子，但仍需制冷到一定溫度。

　　沃科維克還與其他團隊合作，開(kāi)發(fā)出第三種材料——高效修飾碳化硅色心。他們在另一篇論文中描述了對這種材料的測試結果。碳化硅是一種堅硬透明的晶體，常用來(lái)制造離合器板、剎車(chē)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(lái)研制量子芯片。而沃科維克團隊通過(guò)敲除碳化硅中的部分硅原子，研制出了高效色心。然后，他們再在色心周?chē)尤爰{米線(xiàn)結構，大大改進(jìn)了色心捕獲電子的能力。

　　沃科維克表示，他們研制的高效色心完全能在室溫下操作，是量子計算機研究領(lǐng)域的一大突破，為量子芯片的研制提供了可供實(shí)際操作的方法。但她同時(shí)表示：“這三種材料哪種最終會(huì )脫穎而出，我們還需繼續研究。”