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一项偶然的创新为量子计算提供了一种新方法

更新时间:2020-09-12 22:52点击:

  几十年来,科学家一直梦想着在超强大的量子计算机中使用嵌入在硅中的原子核(作为微芯片的熟悉材料)作为量子位或量子位,并利用磁场对其进行操作。现在,澳大利亚的研究人员偶然发现了一种通过更易于控制的电场来控制此类原子核的方法,从而增加了以与普通微芯片中的晶体管相同的方式控制量子位的前景。

一项偶然的创新为量子计算提供了一种新方法

  “这非常重要,”私人研究公司HRL Laboratories LLC。的研究物理学家Thaddeus Ladd说。“这可能会改变硅核量子比特的游戏。”

  普通计算机将位从1翻转到0,然后再翻转一次。量子计算机使用可设置为0、1的量子位,或者由于量子力学的怪异规则而同时设置为0和1。这使得量子计算机能够同时处理大量输入,这就是为什么大型计算机应该能够解决某些类型的复杂问题的原因之一,而这些问题将淹没任何传统计算机。去年,谷歌的研究人员声称他们的小型量子计算机进行了深刻的计算,而这本来可以使传统的超级计算机花费数千年。

  但是,尚不清楚哪种类型的qubit最好。Google机器中的53个量子位中的每个量子位都由一个超导金属小电路组成,该电路具有两种具有不同能量的设置或“状态”。通过用微波炉对它进行打勾,可以将每个电路设置为一种状态,另一种状态或同时设置为两种状态。但是,量子位必须在称为稀释冰箱的笨重设备中在接近绝对零温度的条件下运行,该设备大约相当于电话亭的大小。谷歌研究人员认为,它们可以在一台稀释冰箱中容纳约1000量子比特。一台具有数百万个量子位的成熟的量子计算机可能会需要成千上万个相互连接的稀释冰箱。

  1998年,现为马里兰大学公园分校的凝聚态物理学家布鲁斯·凯恩(Bruce Kane)提出了一种更为紧凑的技术,将单个磷原子嵌入硅中并置于磁场中。每个磷核都像陀螺一样旋转,并具有振荡磁场,研究人员可以哄它沿与磁场相同的方向,相反的方向或同时双向旋转,使其成为一个量子位。微妙的自旋状态将持续近1秒钟,并且原则上,研究人员可以在单个硅微芯片上放置数百万个量子比特。

  但是这项技术落后于超导量子位。用磁场对单个原子核进行处理是一个难题,因为磁场往往会溢出并与邻近的原子核混在一起。如今,悉尼新南威尔士大学(UNSW)量子工程师安德里亚·莫雷洛(Andrea Morello)和同事们发现了一种通过更易于控制的电场控制这种原子核的方法,他们今天在《自然》杂志上报告。

  Morello及其同事研究了嵌入硅中的锑核。较大的锑核具有比磷更高的自旋。因此,在磁场中,它不仅具有两个基本状态,而且还具有八个状态,从指向与磁场相同的方向到指向相反的方向。

  另外,原子核内的电荷分布不均匀,两极周围的电荷比赤道更多。这种不均匀的电荷分布为实验者提供了除自旋和磁性外的另一个对原子核的控制。他们可以利用振荡电场来抓住它,并且可控地将其从一种自旋状态缓和到另一种自旋状态或任意两种状态的组合。研究人员报告说,所要做的就是用一个简单的电极施加正确频率的电场。

  研究人员偶然发现了这种效应,莫雷洛说。由于与量子计算无关的原因,他们想研究嵌入在硅芯片中的锑核对芯片上的导线所产生的振荡磁场的震动有何反应。但是导线熔化并折断,将载流导线变成一个电荷收集电极,从而产生了一个振荡电场。

  这一发现更加复杂。为了使振荡电场产生效果,原子核首先必须位于不均匀的静电电场中。对于研究人员来说幸运的是,不均匀的磁场自然是由硅表面变形所引起的,该变形是由于芯片表面上的铝引线在芯片冷却至接近零温度的情况下收缩而收缩的。

  新南威尔士大学的博士后Serwan Asaad说,研究人员花了一个月的时间才弄清楚发生了什么。他说,那比“我想向记者承认的时间更长”。莫雷洛说,理论家在1958年曾预言过,振荡电场可以使原子核翻转,但没人能观察到它。

  华威大学的量子物理学家加文·莫利(Gavin Morley)指出,嵌入的锑原子核并不完全是一个量子比特,因为它具有八个基本状态。他说,但这没关系,因为八个状态实际上等于三个两个状态的量子位。他说,全电技术可以用来控制其他原子核,但是磷却不能,因为它具有均匀的电荷分布。

  凯恩说,现在说硅核能否以量子比特成功还为时过早,因为研究人员努力在一个设备中组装其中两个以上。尽管如此,这一进步仍然凸显了硅技术打造紧凑型量子计算机的魅力。凯恩说:“这就是使我们的小领域获得资金的原因。”莫雷说,如果有可能使用基于硅的量子计算机,那将是不可避免的。“有一种说法是,如果可以在硅片上做某事,那将是在硅片上做,因为这个行业很大。”


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