三種芯片材料出奇招 讓量子計(jì)算機(jī)跨越應(yīng)用“冰山”

經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)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(yùn)算速度已接近極限的邊緣，如何使傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)突破上述極限，研究人員似乎已計(jì)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(jì)算機(jī)取代傳統(tǒng)硅基計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)能更快執(zhí)行各種復(fù)雜計(jì)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(jì)算技術(shù)中，一些前沿性研究需要將材料冷卻到絕對(duì)零度（-273.15℃）左右，這阻礙了量子計(jì)算機(jī)從理論到實(shí)用的進(jìn)程。美國(guó)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(duì)，近日分別在雜志上發(fā)表了3篇論文，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(diǎn)、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(jì)算機(jī)不怕

作為量子計(jì)算機(jī)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(shí)，喜歡用‘大海里撈針’來(lái)形容，但量子計(jì)算可以做到。”量子計(jì)算機(jī)之所以擁有如此強(qiáng)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，這是最關(guān)鍵的技術(shù)。

量子計(jì)算機(jī)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(shí)，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(jì)算機(jī)基于數(shù)字0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)運(yùn)行;而量子計(jì)算機(jī)則基于量子比特進(jìn)行運(yùn)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(shù)值。沃科維克說(shuō)：“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(jì)算就越復(fù)雜。”

近20年來(lái)，沃科維克實(shí)驗(yàn)室一直專注于研發(fā)能在室溫環(huán)境下運(yùn)行的量子芯片。最近，他們與其他實(shí)驗(yàn)室合作，對(duì)三種材料進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果其中一種材料完全能在室溫下運(yùn)行，使量子計(jì)算機(jī)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(tuán)隊(duì)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(guò)調(diào)整晶體內(nèi)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(jié)構(gòu)單位。

第一種結(jié)構(gòu)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(dǎo)體材料制成的、直徑不到20納米的球形或半球形結(jié)構(gòu)，外觀呈極小的點(diǎn)狀，能將自旋電子封閉在納米球內(nèi)。他們向砷化鎵晶體內(nèi)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(jié)伴而出。沃科維克表示，與那些需要低溫制冷的量子計(jì)算機(jī)平臺(tái)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(jì)算機(jī)，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(tuán)隊(duì)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(duì)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(xiàn)不同顏色。

一篇論文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(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(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)出第三種材料——高效修飾碳化硅色心。他們?cè)诹硪黄撐闹忻枋隽藢?duì)這種材料的測(cè)試結(jié)果。碳化硅是一種堅(jiān)硬透明的晶體，常用來(lái)制造離合器板、剎車片和防彈背心。之前有研究報(bào)道，對(duì)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(tuán)隊(duì)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?cè)僭谏闹車尤爰{米線結(jié)構(gòu)，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(jì)算機(jī)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(xù)研究。”