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          科學家在半導體中生成新量子比特

          科學家在半導體中生成新量子比特

          2012-03-26 17:15:28

            據美國物理學家組織網3月21日報道,一個國際研究團隊通過單個電子獲取了新類型的量子比特,使未來數據處理可包括比“0”和“1”更多的基礎要素。此外,以前量子比特僅能存在于較大的真空腔中,而新量子比特可在半導體中生成出來。這代表了量子計算發(fā)展進程中一項重要的進展。相關研究報告發(fā)表在近期出版的《自然·納米技術》雜志上。

            科研人員表示,當今數據處理的基礎單元是“0”和“1”比特狀態(tài)。處于雙通道中一條通道內的電子將沿指定的并聯支路前進,每次只能通過一個電子。借助隧道耦合,電子能夠在通道間來回切換,從而呈現出兩種不同的狀態(tài),事實上電子會在兩個軌道內同時飛起,而兩種狀態(tài)也將重疊。

            為了編碼這些狀態(tài),電子的電荷十分關鍵。雖然電子同樣具有其他特性,但電荷才是對于量子比特來說確切需要的。從比特到量子比特的延伸能顯著增加計算機的計算能力。

            一個量子比特相當于具有特別狀態(tài)的單個電子??蒲腥藛T可利用單個電子通過兩個緊密相鄰通道的軌跡進行編碼。本質上,兩種不同的狀態(tài)是可能的:電子或者在上面的通道移動,或者在下面的通道移動,隨后形成一個二進制系統。然而根據量子理論,一個粒子可同時保有多種狀態(tài),也就是說,它能夠近似于同時飛躍兩個通道。這些重疊的狀態(tài)能形成一個廣泛的數據處理字符。

            為了生成具有不同狀態(tài)的量子比特,研究人員允許單個的電子相互干涉,這就是所謂的阿哈羅諾夫—玻姆效應:由外加電壓驅動,電子能夠飛躍具有半導體性質的固體。在這一固體之中,它們的飛行軌跡先分叉,再重新結合。因此,每個電子可同時飛過兩個可能的路徑,當兩個路徑重聚在一起,就會產生干涉,例如,兩束電子波會發(fā)生重疊,具有不同重疊狀態(tài)的多個量子比特就會被生產出來。

            通常,一束電子波會在穿過固體時同時穿越不同的路徑。由于材料中的雜質,它會失去自己的相位信息,并因此失去其編碼特別狀態(tài)的能力。為了保持這些相位信息,研究人員培育出了高純度的砷化鎵晶體,并使用了德國波鴻魯爾大學物理學教授安德里亞斯·維克在20年前提出的雙通道法。

            一個電子能通過雙通道到達分叉處,而隧道耦合可使電子能同時飛躍兩種不同的路徑,電子波的相位也將通過耦合保持下來。同樣,研究團隊在電子波于分叉末端重新聚合時也使用雙通道。借助這種方法,他們能夠生產出具有明確狀態(tài)且適合信息編碼的量子比特。研究人員表示,并非所有的電子都會參與這一過程,目前參與的電子仍是一小部分,但他們已經開始嘗試使用具有更高電子密度的晶體,以提升電子的參與率。(新華網)

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