門控量子位：量子計算機(jī)的新希望

　　一種通過嵌入到硅中的磷原子制成的金屬柵極可以用來對量子位進(jìn)行編程。這種結(jié)構(gòu)可以幫助研究者將單一的量子比特擴(kuò)展稱全量子計算機(jī)。

　　近日，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的一個由Andrea Morello領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊借助晶體管設(shè)計的方法，研制出了一種可控的硅中長壽命的量子位的電子門控方案。這為全尺寸的、基于硅的量子計算機(jī)鋪平了道路。

　　使用超導(dǎo)電路的量子計算近年來獲得了很大的關(guān)注，這多虧了谷歌的財大氣粗和D-Wave的計算系統(tǒng)所引發(fā)的爭論。盡管如此，仍有一些研究人員將目光放到了硅上面，部分原因是硅材料本身有可以制成穩(wěn)定的、小巧的量子計算機(jī)的潛力。

　　制造硅量子位的一個方法是添加雜質(zhì)，也叫“供體”，如向硅中添加磷原子。這樣的量子位通過相對隔離的方式嵌入，這種方法已經(jīng)打破了量子位存儲的時間長度的記錄；在某些案例中，它們可以將信息存儲幾分鐘甚至幾個小時！

　　該團(tuán)隊的成員Arne Laucht說，但到目前為止，只能用處于合適振蕩頻率的磁場脈沖來控制供體量子位，從而設(shè)定量子位的狀態(tài)或進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

　　“這種方案在單個量子位上確實可以很好地工作，只要在單個量子位旁邊添加一個片上微波芯片和可以生成高頻脈沖的微波源就行了?！盠aucht在郵件中說，“但是想一想如果有100個甚至更多的量子位，磁場本身就很難局限在一個小空間范圍內(nèi)，它會很容易影響到附近的量子位。不僅如此，由于每一個量子位都需要自己的微波源，而目前每一個微波源的成本超過了100000美元?！?/p>

　　幸好還有另一種解決方案。1998年，物理學(xué)家Bruce Kane為基于硅的量子計算機(jī)給出了一個方案，其中每一個供體都有自己的門控。在Kane的方案中，一個單獨的微波源可以將震蕩磁場覆蓋計算機(jī)內(nèi)的所有量子位。這個磁場一般不會影響到量子位。但通過施加電壓，將供體原子中的電子輕微地偏向。這種影響會轉(zhuǎn)向振蕩電場，然后原子中的電子和原子核會對此作出反應(yīng)。

　　如果這項設(shè)計是正確的，那么就會引起原子中原子核的共振，從而改變其狀態(tài)。（這里的“狀態(tài)”包括自旋態(tài)，自旋態(tài)是基本粒子的性質(zhì)之一，它可以指向一個或兩個方向，就像薛定諤的貓一樣。）

　　在這項新的成果中，Laucht及其同事證明使用這種方法來控制供體林的電子和原子核的自旋是可能的。這項研究的詳細(xì)結(jié)果發(fā)表在周五的Science Advances雜志上。

　　Laucht說實現(xiàn)Kane門控理論的關(guān)鍵是使用已經(jīng)純化了同位素的硅，并且要完全將供體原子和磁場干擾進(jìn)行隔離。這縮小了電子共振的線寬，使得研究者可以使用很小的電壓將量子位移入和移除共振態(tài)，而很小的工作電壓也避免了其可能對環(huán)境產(chǎn)生的干擾。

　　“就我們所知，目前還沒有其他的單個量子位控制技術(shù)和我們采用了類似的方法?！眰惗卮髮W(xué)學(xué)院的John Morton說，他目前在和新南威爾士大學(xué)的研究人員就這一方面進(jìn)行合作。

　　但Morton補(bǔ)充說目前仍還有一些存在的問題有待解決，如研究者在考慮使用該系統(tǒng)集成更多的量子比特?！拔覀儸F(xiàn)在需要做的是弄清楚應(yīng)該怎樣在硅上制出可以用來通信的陣列。目前沒人有一個完美的計劃?！?/p>

　　Kane的建議還包括能夠控制量子位之間交互的門控。但這樣的控制門目前還難以制造，因為需要將這樣的門做到非常小，以至于能夠恰好放到兩個原子之間。Laucht說，幸運(yùn)的是，他說，實現(xiàn)量子位之間的交互還有很多有潛力的方法，他和他的同事們正在向?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)而努力。