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碳化硅晶格缺陷可變成量子比特

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摘要:碳化硅晶格缺陷可變成量子比特
據美國物理學家組織網11月3日(北京時間)報道,最近,美國加利福尼亞大學圣芭芭拉分校物理學家發現,碳化硅中包含的晶格缺陷可以在量子力學水平被操控作為一種室溫下的量子比特來使用,這一發現使碳化硅有望成為下一代信息技術的核心,廣泛應用于電子工業,探索超快計算、納米傳感等量子物理領域。相關論文發表在本周出版的《自然》雜志上。

在傳統半導體電子設備中,晶格缺陷是一種瑕疵,它們會把電子“陷落”固定在特殊晶格位上。但研究小組卻發現,在碳化硅中,被晶格缺陷“陷落”的電子能以某種方式初始化它們的量子態,通過一種光與微波輻射結合的方式,能對其進行精確操控和測量。這意味著,每個晶格缺陷都符合量子比特的要求,作為一種量子力學模擬晶體管來使用。

“我們期待把這些不完美的瑕疵變得完美而實用,而不是讓晶體變得完美有序,把這些瑕疵作為未來量子技術的基礎?!闭撐淖髡?、該校自旋電子及量子計算中心主管、物理學教授大衛?奧斯卡洛姆介紹說,大部分材料的晶格缺陷都沒這種屬性,這和材料的原子結構及半導體的電子特征密切相關。目前已知的唯一擁有相同特征的系統是鉆石中的氮晶格空位中心(nitrogen-vacancy center),由氮原子取代了碳原子及鄰近晶格空位導致,也能在室溫下用作量子比特,而其他物質的量子態要求接近絕對零度。但氮晶格空位中心的鉆石很難生長,給制造集成電路帶來很大困難。

相比之下,商業中用的高質量碳化硅晶體直徑能達到幾英寸,很容易用在各種各樣的電子設備、光電設備和電動機械設備中。研究人員指出,碳化硅晶格缺陷適用于紅外光,其能量和目前整個現代電訊網絡所用的光很接近。未來的集成量子設備有著精密的電子和光學線路,這些獨特的性質讓碳化硅成為最有吸引力的候選材料。

“我們的夢想是能自由設計量子機械設備。就像城市工程師能按照載荷能力、跨度設計橋梁一樣,希望有一天量子工程師能按照量子糾纏度、與環境相互作用度等規格指標來設計量子電器設備?!闭撐念I導作者、奧斯卡羅姆實驗室研究生威廉姆?凱爾說。

總編輯圈點

相較于自己“非此即彼”的親戚比特,量子比特就像那只半死半活的“薛定諤貓”,多了一種“既此又彼”的疊加態。而這點不同也標志了量子計算機和傳統計算機在運算方式及運算能力上的截然區別。不過,量子技術要想得到真正廣泛的應用,還必須改變它對環境等客觀因素的嚴苛要求,從“接近絕對零度”到“室溫”的變化,無疑就是其中一個重要的進步。這一來自晶格缺陷的進步也再次告訴我們,換個角度看人待事,往往會有意想不到的收獲。
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