新型硅結(jié)構(gòu)開啟量子計算機之門 _知識經(jīng)驗

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該團隊建造了一個門來控制電子之間的相互作用，這樣它就可以作為量子計算的信息量子位或量子位。這種幾乎沒有錯誤的雙量子比特門的演示是用硅構(gòu)建更復雜的量子計算設(shè)備的重要早期步驟，硅與傳統(tǒng)計算機和智能手機中使用的材料相同。
普林斯頓大學物理學教授杰森佩塔(JasonPeta)說：“我們知道，如果硅基技術(shù)在擴大規(guī)模和制造量子計算機方面有前景，我們需要讓這個實驗成為現(xiàn)實。”“這個高保真雙量子位門的創(chuàng)建，為大規(guī)模實驗打開了大門。”
與其他實現(xiàn)量子計算機的技術(shù)相比，硅基器件可能更便宜、更容易制造。盡管其他研究小組和公司已經(jīng)宣布量子設(shè)備包含50個或更多的量子比特，但這些系統(tǒng)需要特殊的材料，例如超導體或由激光固定的帶電原子。
量子計算機可以解決傳統(tǒng)計算機無法訪問的問題。這些設(shè)備可能能夠計算大量的數(shù)字，或者找到復雜問題的最佳解決方案。它們還可以幫助研究人員了解微小粒子(如原子和分子)的物理性質(zhì)，從而在材料科學和藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域取得進展。
構(gòu)建量子計算機需要研究人員創(chuàng)建量子比特，并以高保真度將它們耦合起來。硅基量子器件利用被稱為“自旋”的電子的量子特性來編碼信息。旋轉(zhuǎn)可以像磁鐵的北極和南極一樣向上或向下。相反，傳統(tǒng)計算機通過操縱電子的負電荷來工作。
【新型硅結(jié)構(gòu)開啟量子計算機之門】為了實現(xiàn)高性能，基于自旋的量子器件受到自旋狀態(tài)脆弱性的阻礙——它們很容易從上到下翻轉(zhuǎn)，反之亦然，除非它們可以在非常純凈的環(huán)境中被隔離。通過在普林斯頓的量子器件納米加工實驗室建立硅量子器件，研究人員可以在相對較長的時間內(nèi)保持自旋相干性——也就是說，在量子狀態(tài)下。
為了建造一個雙量子位門，研究人員在高度有序的硅晶體上層疊微小的鋁線。這些線提供的電壓可以捕獲由電子勢壘分隔的兩個單電子，這被稱為雙量子點阱結(jié)構(gòu) 。
通過暫時降低能量勢壘，研究人員允許電子共享量子信息，并創(chuàng)造一種稱為糾纏的特殊量子狀態(tài) 。這些被捕獲和糾纏的電子現(xiàn)在可以作為量子比特使用，它們就像傳統(tǒng)的計算機比特一樣，但具有超強的能力：傳統(tǒng)的比特可以表示零或一，每個量子比特既可以是零也可以是一，這極大地擴展了可以立即進行比較的數(shù)字的可能排列。
該研究的第一作者、普林斯頓大學物理系研究生大衛(wèi)扎亞茨說：“我們面臨的挑戰(zhàn)是，很難建造出足夠小的人工結(jié)構(gòu)，既能捕獲和控制單個電子，又不會破壞其長時間的存儲。”“這是硅中兩個電子自旋之間糾纏的第一個證明，已知這種材料為電子自旋狀態(tài)提供了最干凈的環(huán)境之一。”
研究人員已經(jīng)證明，他們可以使用第一個量子比特來控制第二個量子比特，這表明該結(jié)構(gòu)充當受控的非(CNOT)門，這是常用計算機電路組件的量子版本。研究人員通過施加磁場來控制第一個量子比特的行為。門根據(jù)第一個量子比特的狀態(tài)產(chǎn)生一個結(jié)果：如果第一個自旋指向上，第二個量子比特的自旋將翻轉(zhuǎn)，但是如果第一個自旋指向下，第二個自旋將不會翻轉(zhuǎn) 。
Peta說：“閘門基本上意味著，如果另一個粒子處于某種狀態(tài)，它只會對一個粒子做一些事情。"一個粒子的變化取決于另一個粒子."
研究人員已經(jīng)表明，他們可以保持電子自旋的量子狀態(tài)，保真度超過99% ，門工作可靠，在75%的時間內(nèi)轉(zhuǎn)動第二個量子比特的自旋。據(jù)研究人員稱，這項技術(shù)可能會以更低的錯誤率擴展到更多的量子位。
加州大學洛杉磯分校物理學和天文學教授洪說：“這項研究在全球競爭中脫穎而出，展示了硅基量子比特中量子計算的基本構(gòu)件：CNOT門。”“兩個量子比特操作的錯誤率是一個明確的基準。特別令人印象深刻的是，這個非常困難的實驗，需要精確的器件制造和精確的量子態(tài)控制，是在一個只有少數(shù)研究人員組成的大學實驗室里完成的。”

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