測量和控制電子態(tài)的技術(shù)是量子計(jì)算的一個(gè)突破

在他們研究量子計(jì)算新論文的過程中，加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)教授HongWen Jiang和他實(shí)驗(yàn)室研究生Joshua Schoenfield遇到了一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的問題：他們對他們的進(jìn)步感到非常興奮。從家里登錄到他們的UCLA桌面 - 一次只允許一個(gè)用戶 - 兩位科學(xué)家反復(fù)互相撞擊遠(yuǎn)程連接。

他們熱情的原因：江和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種測量和控制硅量子點(diǎn)中電子谷狀態(tài)能量差異的方法，這是量子計(jì)算研究的關(guān)鍵組成部分。該技術(shù)可以使量子計(jì)算更接近現(xiàn)實(shí)。

“這太令人興奮了，”加州納米系統(tǒng)研究所的成員姜說。“我們不想等到第二天才能找到結(jié)果。”

量子計(jì)算可以使更復(fù)雜的信息在更小的計(jì)算機(jī)芯片上進(jìn)行編碼，并且它比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)允許更快，更安全地解決問題和通信。

在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)中，基本組件是稱為位的開關(guān)，它使用0和1來表示它們已關(guān)閉或打開。另一方面，量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建塊是量子比特或量子比特。

加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員的突破是能夠測量和控制硅量子點(diǎn)的特定狀態(tài)，稱為谷狀態(tài)，是量子比特的基本屬性。該研究發(fā)表在Nature Communications上。

“單個(gè)量子比特可以同時(shí)存在于狀態(tài)0和狀態(tài)1的復(fù)雜波狀混合物中，”該論文的第一作者舍恩菲爾德說。“為解決問題，量子比特必須互相干擾，就像池塘里的漣漪一樣。因此，控制波浪般性質(zhì)的各個(gè)方面至關(guān)重要。“

硅量子點(diǎn)是硅的小的電氣限制區(qū)域，只有幾十納米寬，可以捕獲電子。江的實(shí)驗(yàn)室和世界各地的研究人員正在研究它們在量子計(jì)算中的可能用途，因?yàn)樗鼈兪箍茖W(xué)家能夠控制電子的自旋和電荷。

除了電子的自旋和電荷之外，它們最重要的另一個(gè)特性是它們的“谷狀態(tài)”，它指明了電子在硅晶體結(jié)構(gòu)的非平坦能量環(huán)境中的位置。谷狀態(tài)代表電子動(dòng)量的位置，而不是實(shí)際的物理位置。

科學(xué)家們最近才意識到控制谷狀態(tài)對于編碼和分析硅基量子比特是至關(guān)重要的，因?yàn)榧词故枪杈w中最微小的缺陷也會(huì)以不可預(yù)測的方式改變谷能量。

“想象一下，站在山頂俯視你的左右兩邊，注意到兩邊的山谷看起來是一樣的，但知道一個(gè)山谷只比另一個(gè)山谷深1厘米，”加州大學(xué)洛杉磯分校的布萊克弗里曼說。研究生和研究的共同作者。“在量子物理學(xué)中，即使是那么小的差異對我們控制電子的自旋和電荷狀態(tài)的能力也非常重要。”

在正常溫度下，電子會(huì)反彈，使它們很難在山谷中的最低能量點(diǎn)停留。因此，為了測量兩個(gè)谷狀態(tài)之間的微小能量差異，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員將硅量子點(diǎn)置于冷卻室內(nèi)，溫度接近絕對零度，這使得電子能夠穩(wěn)定下來。通過射擊電壓的快速電脈沖，科學(xué)家們能夠?qū)蝹€(gè)電子移入和移出山谷。通過觀察電子在谷狀態(tài)之間快速切換的速度來確定谷之間能量的微小差異。

在操縱電子之后，研究人員運(yùn)行了一個(gè)非常接近電子的納米線傳感器。測量導(dǎo)線的電阻使它們能夠測量電子和導(dǎo)線之間的距離，從而使它們能夠確定電子占據(jù)的是哪個(gè)谷。

該技術(shù)還首次使科學(xué)家能夠測量兩個(gè)山谷之間極小的能量差異 - 這是使用任何其他現(xiàn)有方法所不可能實(shí)現(xiàn)的。

在未來，研究人員希望使用更復(fù)雜的電壓脈沖和器件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對多個(gè)相互作用的基于谷的量子比特的完全控制。

“我們的夢想是擁有數(shù)百或數(shù)千個(gè)量子比特的陣列，共同解決一個(gè)難題，”Schoenfield說。“這項(xiàng)工作是實(shí)現(xiàn)夢想的重要一步。”