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三種芯片材料出奇招 讓量子計算機跨越應用"冰山"

日期:2017/6/15 9:30:32
摘要:三種芯片材料出奇招 讓量子計算機跨越應用"冰山"
關鍵詞:芯片材料

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。

為了解決這一問題,科學家們開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。

但現有量子計算技朮中,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用的進程。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,近日分別在雜志上發表了3篇論文,宣稱他們已經研制出能在室溫下操作的量子芯片材料,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。

兩種“色心”:從低溫到室溫的突破

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雜性,這是最關鍵的技朮。

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,激光能與電子相互作用,使電子呈現不同的自旋狀態。傳統計算機基于數字0和1的二進制系統運行;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的兩種狀態的疊加,可以是0和1之間的任何數值。沃科維克說:“在量子系統內,激光撞擊電子能創建許多可能的自旋態。自旋態越多,能執行的量子計算就越復雜。”

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行的量子芯片。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,其作用類似于傳統硅基芯片中的晶體管。他們基于半導體晶體材料,通過調整晶體內的原子陣列,創建出能將單個自旋電子“禁閉”起來的結構單位。

第一種結構是量子點,有關論文發表在《自然·物理學》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,能成功通過激光—電子相互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創建通用量子計算機,但完全可用來創建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”技朮捕獲電子。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顏色。

一篇論文描述的色心在鑽石中構建而成。天然鑽石的晶格由碳原子構成,但他們用硅原子取代鑽石中的部分碳原子,在鑽石晶格中創建出多個色心。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。而沃科維克團隊通過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,為量子芯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。”