為了研制“拓?fù)浣^緣體”，美國萊斯大學(xué)研究人員克尼茲在無塵室內(nèi)度過了數(shù)百小時(shí)，不斷實(shí)驗(yàn)半導(dǎo)體微型芯片。
這塊半導(dǎo)體芯片包含了數(shù)百個(gè)微型“電子高速公路”，這種所謂的“電子高速公路”將來可用于制造量子計(jì)算機(jī)。
北京時(shí)間10月11日消息，美國萊斯大學(xué)科學(xué)家近日研制出一種微型的“電子高速公路”--“量子自旋霍爾拓?fù)浣^緣體”。研究人員表示，這種微型設(shè)備將來可用于制造量子計(jì)算機(jī)所需的量子比特，這一研究成果將大大促進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的研究進(jìn)展。
美國萊斯大學(xué)物理學(xué)家杜瑞瑞和伊萬-克尼茲近日在《物理評論快報(bào)》雜志上發(fā)表文章，詳細(xì)介紹了制造這種微型設(shè)備的最新方法。這種微型設(shè)備正式名稱為“量子自旋霍爾拓?fù)浣^緣體”，可以用作“電子高速公路”，是量子計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生量子粒子用來存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵構(gòu)件之一。
如今，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)采用“0”或“1”二進(jìn)制數(shù)據(jù)。而量子計(jì)算機(jī)采用的則是量子比特，它可以同時(shí)代表“0”和“1”。這就是量子力學(xué)奇怪的現(xiàn)象之一。杜瑞瑞教授介紹說，這一特性讓量子計(jì)算機(jī)擁有超強(qiáng)的計(jì)算能力。采用量子計(jì)算機(jī)，一些復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，如密碼破譯、氣候模擬和生物醫(yī)學(xué)模擬等，計(jì)算速度可比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快數(shù)千倍。
杜瑞瑞教授表示，“原則上，我們根本不需要太多的量子比特來制造強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。根據(jù)信息的密度，一個(gè)擁有10億個(gè)晶體管的硅微處理器的計(jì)算能力大概相當(dāng)于一個(gè)僅僅擁有30個(gè)量子比特的量子處理器。”在量子計(jì)算機(jī)的研制競賽中，各國研究人員采用了許多種制造量子比特的方法。不管什么方法，一個(gè)普遍的問題就是如何確保將信息編碼為量子比特而又不會(huì)因?yàn)榱孔硬▌?dòng)而隨時(shí)間變化。這就是一個(gè)容錯(cuò)問題。
杜瑞瑞等人所采用的技術(shù)就是“拓?fù)淞孔佑?jì)算”。這種拓?fù)浞桨赣型绕渌愋偷牧孔佑?jì)算機(jī)容錯(cuò)能力更強(qiáng)，因?yàn)樵谝慌_拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)中每個(gè)量子比特都是由一對量子粒子制成，它們實(shí)質(zhì)上擁有不可變的共享特性。需要特別指出的是，物理學(xué)家相信，這種粒子可以通過將像杜瑞瑞等人研制的“量子自旋霍爾拓?fù)浣^緣體”與超導(dǎo)體結(jié)合研制而成。
拓?fù)浣^緣體擁有一些奇怪的特性。盡管電流無法通過它們，但可以在它們狹窄的外邊緣周圍通過。克尼茲解釋說，如果一小塊拓?fù)浣^緣體附于一塊超導(dǎo)體之上，這種設(shè)備或可能用于生產(chǎn)制造量子計(jì)算機(jī)的量子比特。克尼茲花了一年多時(shí)間來完善這種技術(shù)，用于生產(chǎn)萊斯拓?fù)浣^緣體。這種設(shè)備是利用商業(yè)半導(dǎo)體制成的。杜瑞瑞表示，這是首個(gè)利用物理學(xué)家已知的材料制成的兩維拓?fù)浣^緣體。“我們正在向量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步。然而，只有實(shí)驗(yàn)才能夠證明它們是否適合制造穩(wěn)定的量子比特。”
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