測量和控制電子態(tài)的技術(shù)是量子計算的一個突破

在他們研究量子計算新論文的過程中，加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)教授HongWen Jiang和他實驗室研究生Joshua Schoenfield遇到了一個反復(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)隊創(chuàng)造了一種測量和控制硅量子點中電子谷狀態(tài)能量差異的方法，這是量子計算研究的關(guān)鍵組成部分。該技術(shù)可以使量子計算更接近現(xiàn)實。

“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。”

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

在標(biāo)準(zhǔn)計算機(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。

“單個量子比特可以同時存在于狀態(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)的各個方面至關(guān)重要。“

硅量子點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。江的實驗室和世界各地的研究人員正在研究它們在量子計算中的可能用途，因為它們使科學(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)代表電子動量的位置，而不是實際的物理位置。

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，因為即使是硅晶體中最微小的缺陷也會以不可預(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，但知道一個山谷只比另一個山谷深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，電子會反彈，使它們很難在山谷中的最低能量點停留。因此，為了測量兩個谷狀態(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€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，研究人員運行了一個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)的是哪個谷。

該技術(shù)還首次使科學(xué)家能夠測量兩個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)計來實現(xiàn)對多個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)千個量子比特的陣列，共同解決一個難題，”Schoenfield說。“這項工作是實現(xiàn)夢想的重要一步。”