在打造实用型量子计算机的道路上,美国麻省理工学院、哈佛大学和桑迪亚国家实验室研究人员组成的庞大团队取得重要进展。他们的研究提供了一种新的方法,把金刚石作为光学电路的基础。简单来说,光学电路就是操纵光而非电流的计算机芯片。

除了炒作和误解以外,量子计算还面临着基本上停留于理论层面的问题。设计出真正的量子计算机很难,因为它本来就很难。我们试图利用量子世界一个奇特且脆弱的属性,也就是粒子能同时具有看似对立的两种物理状态:上和下,左和右,是和不是。

如果只是利用这种属性,创造出一种基本的电子元件,比如晶体管,这并不难。但维持和操纵量子位(由粒子对立状态组成的信息单位)真的很难。仅仅是观察一个量子系统都会扰乱它,如果那个系统碰巧在对信息进行编码,那么信息就会丢失掉。

金刚石原子的格状结构近乎完美,这为研制量子电路提供了希望。一个量子位被存储在金刚石结构的一个“缺陷”中。在井然有序的金刚石结构中,有时会丢失一个原子。另一个原子会进入这个空位,取代丢失的那个碳原子。这个金刚石缺陷可能拥有与它相关联的一些自由电子,而且信息就存储在这些粒子中(同时信息以光子的形式在金刚石周围传播)。

重要的是,这一小群电子会自然而然地发出能够反映量子叠加(同时具有多个状态的粒子或粒子系统)的光子。这就是在不造成干扰的情况下从量子位提取信息的方法。

挑战在于为金刚石结构中的那个碳原子找到和插入理想的替代品。这个替代品被称为“掺杂物”。这就是此项新研究的课题。

对于利用金刚石缺陷的光学电路,过去被研究最多的掺杂物是氮原子。氮原子很稳定,足以维持所需的量子叠加,但它能发出的光的频率有限。这就好比是有了一个完美的加密系统,但只能用很少的一点字符来传递信息。

而本文开头提到的新研究,是探索用硅原子作为掺杂物。嵌入金刚石格状结构的硅原子能发出更窄的波长带,如同拥有更高的分辨率。但更准确代表信息的代价是更加不稳定的量子态。因此,金刚石必须保存在非常接近绝对零度的环境下。而氮状态可以承受比绝对零度高四度的温度。在这两个例子中,我们说的都不是量子电脑。

研究人员通过两步把硅原子嵌入金刚石。首先,用激光轰击金刚石,创造出空位,然后加热金刚石,直至空位开始在格状结构中移动,和硅原子结合。结果就是一个大量硅原子被嵌入到正确位置的格状结构。

这个方法很有发展前景,有助于我们“基于耦合到纳米光子设备的半导体缺陷,创造出可靠高效的光-物质界面”,也就是量子计算机要用到的东西。


翻译:于波

来源:Motherboard

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