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用激光操控量子比特

发布时间:2019-08-15 19:41:02

  科学家们一般认为,研究微观粒子运动规律的新兴技术 量子技术主要应用于计算、通讯和加密等领域,但据物理学家组织近道,现在,科学家们利用自旋电子学(其基本理念是理解和操作电子的自旋来推动技术的发展)扩展了量子技术应用领域的新维度,使他们可以利用量子力学完成一些此前没有想到过的任务,比如用处理量子信息以及在纳米尺度上进行温度测量。

  这两项研究都建立在对钻石内的氮晶格空位中心进行操控的基础上,都利用了这一瑕疵固有的 自旋 特性。氮晶格空位中心是钻石原子结构上的一种瑕疵,钻石晶格中的一个碳原子被一个氮原子取代,使其附近空缺出一个晶格空位,围绕氮原子旋转的自旋电子就变成一个量子比特(qubit) 量子计算机的基本单位。

  这两篇文章的主要研究者、美国芝加哥大学分子工程学教授戴维 艾维萨洛姆表示: 过去20多年来,科学家们一直在研究如何隔离和控制固态内单个电子的自旋,研究就是基于这些研究所获得的结果。科学家们的初衷是制造出新的基于量子物理学的计算技术,但近几年来,随着研究的不断深入,我们的关注点也在不断扩展,因为我们开始意识到,量子物理学的原理也适用于新一代的纳米传感器。

  用激光操控量子比特

  艾维萨洛姆和加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)以及德国康斯坦茨大学的6名合作者一起,研发出了一项新技术,他们在发表美国《国家科学院学报》上的一篇论文中介绍了如何借助此项技术,只用激光就实现了对量子比特的操控,包括初始化、读取电子自旋态等。新方法不仅比传统方法更能实现统一控制,而且功能更多样,为探索新型固态量子系统打开了大门,也为科学家们朝着终制造出性能远胜传统计算机的量子计算机开辟了新的路径。

  传统计算机的基本信息单位是比特(bit),只能在0和1中选择其一;而量子比特能以多个状态同时存在,也即同时为0和1,这就使得量子计算机能够进行更复杂的操作,计算能力更强。

  尽管氮晶格空位中心是一种很有前景的量子比特,过去10年来一直被广泛研究,但要用工业或生长的方法造出所需钻石却是极大的挑战。

  艾维萨洛姆表示,与传统技术不同,他们研发的是一种利用在半导体内控制单个量子比特的全光策略,其 消除了对微波电路或电子络的需求,仅仅用光和光子就可以做一切事情 。

  作为一种全光学方法,新技术也有潜力进行升级,控制更多量子比特。另外,新方法的用途更加广泛,也可以用于探索其他物质内的量子系统,否则,这些物质很难被用来做量子设备。

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