三種芯片材料出奇招 讓量子計算機跨越應用“冰山”

經(jīng)過60年的發(fā)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(tǒng)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(tǒng)硅基計算機。量子計算機能更快執(zhí)行各種復雜計算，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)有量子計算技術中，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(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、二種“色心”，使量子處理裝置向實際應用跨出一大步。

海底撈針：量子計算機不怕

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，這是最關鍵的技術。

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(xiàn)不同的自旋狀態(tài)。傳統(tǒng)計算機基于數(shù)字0和1的二進制系統(tǒng)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(tài)的疊加，可以是0和1之間的任何數(shù)值。沃科維克說：“在量子系統(tǒng)內，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)行的量子計算就越復雜。”

近20年來，沃科維克實驗室一直專注于研發(fā)能在室溫環(huán)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(tǒng)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(chuàng)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(fā)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(fā)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臺相比，他們的量子點更實用，雖然目前還不能用于創(chuàng)建通用量子計算機，但完全可用來創(chuàng)建防止篡改的安全通信網(wǎng)絡。

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，沃科維克團隊介紹了一種完全不同于量子點的方法：用“色心”技術捕獲電子。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(xiàn)不同顏色。

一篇論文描述的色心在鉆石中構建而成。天然鉆石的晶格由碳原子構成，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隊合作，開發(fā)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(xù)研究。”