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弱磁场下空穴自旋量子位构建成功:每秒运算1亿次,寿命长达150微秒

前瞻网    2021-06-08 14:30

在量子力学的世界里,研究人员甚至可以让空穴服从他们的命令。来自奥地利科学技术研究所(IST) Katsaros小组的科学家和一个国际研究团队现在已经创建了一个新的装置,来控制固体材料中电子的缺失,并成功构建了空穴自旋量子位。

他们想利用这些空穴,打造出结合半导体和超导体的新型量子计算机。

弱磁场下空穴自旋量子位构建成功:每秒运算1亿次,寿命长达150微秒

量子计算机有望创造新材料,解决棘手的数学问题,这是许多物理学家的梦想。现在,它们正在世界各地的许多实验室中慢慢接近可行的实现。但仍有巨大的挑战需要攻克。一个核心问题是构建稳定的量子比特(qubit),并且使它们之间相互连接成网。

在一项发表在《自然·材料》杂志上的研究中,由奥地利IST Katsaros小组的Daniel Jirovec领导,与意大利科莫L-NESS大学间中心的研究人员密切合作,科学家们现在已经创造了一个新的、有前途的可靠的量子比特候选系统。

研究人员利用空穴的自旋创造了量子比特。每个空穴意味着固体材料中电子的缺失。令人惊奇的是,一个丢失的带负电荷的粒子,在物理上可以当作带正电荷的粒子来处理。当邻近的电子填满空穴时,它甚至可以在固体中移动。因此,这个被描述为带正电荷的粒子的空穴,实际上是向前移动的。

这些空穴甚至具有自旋的量子力学性质,如果它们靠近彼此,就可以相互作用。“我们在L-NESS的同事将几纳米厚的硅和锗的不同混合物层叠在一起。这使得我们可以将这些洞限制在中间的富锗层,”Jirovec解释说。“在顶部,我们添加了微小的电线,即所谓的栅极,通过对它们施加电压来控制孔洞的运动。这些带正电的空穴会对电压产生反应,并能在其层内非常精确地移动。”

利用这种纳米尺度的控制,科学家们移动两个靠近彼此的空穴,利用它们相互作用的自旋创造一个量子位元。但是为了保证这个过程成功,他们需要在整个装置上施加一个磁场。

于是,他们的创新方法发挥了作用。在他们的设置中,Jirovec和他的同事们不仅可以移动洞,还可以改变它们的属性。通过设计不同的空穴性质,他们利用不到10毫微米的磁场强度,从两个相互作用的空穴自旋中创造出了量子位元。相比其他类似的量子位设置,这是一个较弱的磁场——以往通常要用至少十倍强的磁场。

除了新的技术可能性,这些空穴自旋量子位看起来很有前途,主要是基于它们的处理速度。结果显示,在弱磁场环境下,该量子位可高速操作并保持较长时间:它们的运算速度高达每秒1亿次,寿命长达150微秒,似乎特别适合量子计算。通常,在这些属性之间会有一个权衡和互损,但是这个新设计将这两种优点结合在了一起。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4126TJ

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