振荡电场使硅芯片量子计算机更近一步-量子客

 

失误,让硅量子计算机又更近一步

一项偶然的创新让量子计算研究界杀出一匹黑马。数十年以来,科学家一直梦想着在超强大的量子计算机中使用嵌入在硅芯片中的原子核作为量子比特,并利用磁场对其进行操作。

现在,澳大利亚的研究人员偶然发现了一种通过更易于控制的电场来控制这种原子核的方法,使得控制量子比特就像控制普通微芯片中的晶体管一样容易,这一研究成果让硅量子计算机的前景更加广阔。

 

单个磷原子嵌入硅芯片面临的问题

1998年,现为马里兰大学公园分校的凝聚态物理学家Bruce Kane提出了一种更密集的技术,将单个磷原子嵌入硅中并置于磁场里。每个磷原子核都可像陀螺一样旋转,并具有振荡磁场,研究人员可以诱导它沿与磁场相同的方向、相反的方向或同时双向旋转,使其成为一个量子位。这种微妙的自旋状态将持续近1秒钟。并且,原则上,研究人员可以在单个硅微芯片上放置数百万个量子比特。

但是这项技术落后于超导量子比特。其中的一个困难在于,用磁场对单个原子核进行寻址。由于该磁场往往会溢出并与相邻原子核混在一起,因此寻址及其艰难。

 

锑原子核的优势

现在,悉尼新南威尔士大学(UNSW)量子工程师Andrea Morello和同事们发现一种通过更易于控制的电场来控制这种原子核的方法,该研究成果已发表在《自然》杂志。

 

振荡电场使硅芯片量子计算机更近一步-量子客
Morello及其同事研究了嵌入硅中的锑原子核。较大的锑原子核具有比磷更高的自旋。因此,在磁场中,它不仅具有两个基本状态,而且还具有八个状态,从指向与磁场相同的方向到指向相反的方向。

另外,原子核内的电荷分布不均匀,两极周围的电荷比赤道多。这种不均匀的电荷分布为实验者提供了除自旋和磁性外的另一个对原子核的控制。他们可以利用振荡电场来抓住它,并且可控地将其从一种自旋状态转化到另一种自旋状态,或者转化为任意两个自旋状态的组合。 研究人员报告说,实现该成果只需用一个简单的电极施加一个频率合适的电场。

 

振荡电场的产生

振荡电场使硅芯片量子计算机更近一步-量子客

(来源:https://www.sciencemag.org/)

当导线熔化了一个间隙后,用磁场刺激锑核(埋在设备中间)的研究变成了带有电场的研究。

 

早在1958年,就有理论学家预测,一个振荡电场可以颠覆一个原子核,但是没有人曾观察到它。

Morello表示,研究人员是在偶然之间发现了这种效应。他们想研究嵌入硅芯片中的锑原子核如何对芯片上的导线产生的振荡磁场的震动做出反应。但是导线熔化并折断,将载流导线变成了一个收集电极,从而产生了一个振荡电场(Oscillating Electric Field)。

为了使振荡电场产生效果,首先必须将原子核置于不均匀的静电电场中。 幸运的是,当芯片被冷却到接近绝对零度的工作温度时,由于硅表面的铝引线收缩,从而导致硅的变形,这就自然而然地引起了这种不均匀的磁场。

 

华威大学的量子物理学家Gavin Morley指出,嵌入的锑原子核并不完全是一个量子位,因为它具有八个基本状态。而这八个状态实际上等效于三个处于叠加状态的量子位。

Gavin 和Morello表示,这一进步使得通过硅技术制造密集型量子计算机更具诱惑力、更具可能性。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2057-7

 

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作者 Hellen             编辑 Sakura