【前沿情報】斯坦福研制出室溫下可操作晶片材料 讓量子計算機跨越應用的“冰山”

【 内容提要 】

美國斯坦福大學電子工程系教授伊蓮娜•沃科維克帶領其團隊，近日分别在雜志上發表了3篇論文，宣稱他們已經研制出能在室溫下操作的量子晶片材料，包括一種量子點、二種“色心”，使量子處理裝置向實際應用跨出一大步。

經過60年的發展，計算機已變得更小更快，價格也越來越便宜。但矽基半導體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。

為了解決這一問題，科學家們開始尋求用基于光子的量子計算機取代傳統矽基計算機。量子計算機能更快執行各種複雜計算，研究所學生物系統，建立加密和大資料系統，解決許多涉及多種變量的難題。

但現有量子計算技術中，一些前沿性研究需要将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用的程序。美國斯坦福大學電子工程系教授伊蓮娜•沃科維克帶領其團隊，近日分别在雜志上發表了3篇論文，宣稱他們已經研制出能在室溫下操作的量子晶片材料，包括一種量子點、二種“色心”，使量子處理裝置向實際應用跨出一大步。

海底撈針：量子計算機不怕

作為量子計算機領域的前沿科學家，沃科維克表示：“當人們認為一件事不可能完成時，喜歡用‘大海裡撈針’來形容，但量子計算可以做到。”量子計算機之是以擁有如此強大的能力，在于其依賴的雷射與電子間互相作用的複雜性，這是最關鍵的技術。

量子計算機的工作原理是将自旋電子封閉在一種新型半導體材料内，當用雷射照射它們時，雷射能與電子互相作用，使電子呈現不同的自旋狀态。傳統計算機基于數字0和1的二進制系統運作；而量子計算機則基于量子比特進行運算。這些量子比特是代表0和1的兩種狀态的疊加，可以是0和1之間的任何數值。沃科維克說：“在量子系統内，雷射撞擊電子能建立許多可能的自旋态。自旋态越多，能執行的量子計算就越複雜。”

近20年來，沃科維克實驗室一直專注于研發能在室溫環境下運作的量子晶片。最近，他們與其他實驗室合作，對三種材料進行了測試，結果其中一種材料完全能在室溫下運作，使量子計算機邁出了重要一步，不再隻是“紙上談兵”。

全新量子點：精确控制光子輸入輸出

沃科維克團隊基于三種不同材料研制出三種基本功能機關，其作用類似于傳統矽基晶片中的半導體。他們基于半導體晶體材料，通過調整晶體内的原子陣列，建立出能将單個自旋電子“禁閉”起來的結構機關。

第一種結構是量子點，有關論文發表在《自然•實體學》雜志上。量子點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，外觀呈極小的點狀，能将自旋電子封閉在納米球内。他們向砷化镓晶體内摻雜少量砷化铟制成的量子點，能成功通過雷射—電子互相作用控制光子的輸入和輸出，而且，與之前發出單個光子不同，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台相比，他們的量子點更實用，雖然目前還不能用于建立通用量子計算機，但完全可用來建立防止篡改的安全通信網絡。

兩種“色心”：從低溫到室溫的突破

在另兩篇發表于《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的方法：用“色心”技術捕獲電子。色心是指透明晶體中的點缺陷、點缺陷對或點缺陷群，這些缺陷能捕獲電子或空穴，吸收光子使晶體呈現不同顔色。

一篇論文描述的色心在鑽石中建構而成。天然鑽石的晶格由碳原子構成，但他們用矽原子取代鑽石中的部分碳原子，在鑽石晶格中建立出多個色心。這些鑽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，開發出第三種材料——高效修飾碳化矽色心。他們在另一篇論文中描述了對這種材料的測試結果。碳化矽是一種堅硬透明的晶體，常用來制造離合器闆、刹車片和防彈背心。之前有研究報道，對碳化矽進行修飾後能制成在室溫下工作的色心，但效率不高，不能用來研制量子晶片。而沃科維克團隊通過敲除碳化矽中的部分矽原子，研制出了高效色心。然後，他們再在色心周圍加入納米線結構，大大改進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域的一大突破，為量子晶片的研制提供了可供實際操作的方法。但她同時表示：“這三種材料哪種最終會脫穎而出，我們還需繼續研究。”

原文釋出時間為：2017-03-23

本文作者： DeepTech深科技

本文來源：

九州量子

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