近日,奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(IST)領(lǐng)導(dǎo)的歐洲科學(xué)團(tuán)隊成功構(gòu)建了空穴自旋量子位。在弱磁場環(huán)境下,該量子位可高速操作并保持較長時間,將來有望造出結(jié)合半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的新型量子計算機(jī)。
自旋量子位被認(rèn)為是構(gòu)建量子處理器的最有希望的候選者之一,但仍需克服巨大的挑戰(zhàn)。其中的關(guān)鍵是構(gòu)建穩(wěn)定的量子位,它是量子計算機(jī)的基本單元。
最近,該研究所的卡薩羅斯小組在意大利、德國和西班牙的團(tuán)隊成員幫助下,通過一項實(shí)驗(yàn)展示了他們?nèi)绾慰刂乒腆w中一個空穴自旋量子位,進(jìn)而找到一種新的、有前途的量子位系統(tǒng)。相關(guān)成果發(fā)表在近日的《自然·材料》雜志上。
研究人員是在所謂空穴自旋的幫助下構(gòu)建的量子位。電子空穴指的是在原子或原子晶格中,電子在可能存在的位置上出現(xiàn)空缺。由于周圍電子可以填補(bǔ)這個空穴,同時在原位置產(chǎn)生一個新的空穴,所以看起來就像是空穴在移動一樣。
論文第一作者、該研究所的達(dá)尼爾·吉羅維茨解釋說,我們意大利的同事將不同的硅和鍺層疊在一起,厚度僅為幾納米。這使我們能夠鎖定中間含鍺層的空穴。在表面層,我們放置了稱為門的細(xì)電線,通過施加電壓來控制空穴的運(yùn)動。帶正電的空穴對電壓起反應(yīng),并且可以在鍺層內(nèi)極其精確地移動。
通過這種納米尺度的控制,研究人員使兩個空穴彼此靠近,以便從它們相互作用的自旋中產(chǎn)生一個量子位。為此他們創(chuàng)新了方法,將整個實(shí)驗(yàn)置于磁場中。吉羅維茨和同事不僅可以移動空穴,還可以改變它們的屬性。在不到10毫特斯拉的磁場強(qiáng)度下,從兩個相互作用的空穴自旋中創(chuàng)建了量子位。與其他類似的量子位相比,這是一個很弱的磁場,后者一般需要至少強(qiáng)十倍的磁場。
這些空穴自旋量子位很有前景,高達(dá)每秒1億次的處理速度和長達(dá)150微秒的壽命,使它們特別適合量子計算。通常研究人員必須在這些特性之間做出妥協(xié),但現(xiàn)在這種新的設(shè)計將這兩種優(yōu)勢結(jié)合在一起。吉羅維茨說:“通過使用鍺層,可以降低所需的磁場強(qiáng)度,允許我們將量子位與通常受到強(qiáng)磁場抑制的超導(dǎo)體結(jié)合。”這使研究人員能夠構(gòu)建結(jié)合半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的新型量子計算機(jī)。
歡迎掃碼入群!
深圳科普將定期推出
公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的活動和科普好物!