三种芯片材料出奇招 让量子计算机跨越应用“冰山”

经过60年的发展，计算机已变得更小更快，价格也越来越便宜。但硅基晶体管的尺寸和运算速度已接近极限的边缘，如何使传统计算机突破上述极限，研究人员似乎已计穷智竭。

为了解决这一问题，科学家们开始寻求用基于光子的量子计算机取代传统硅基计算机。量子计算机能更快执行各种复杂计算，研究生物系统，创建加密和大数据系统，解决许多涉及多种变量的难题。

但现有量子计算技术中，一些前沿性研究需要将材料冷却到绝对零度(-273.15℃)左右，这阻碍了量子计算机从理论到实用的进程。美国斯坦福大学电子工程系教授伊莲娜·沃科维克带领其团队，近日分别在杂志上发表了3篇论文，宣称他们已经研制出能在室温下操作的量子芯片材料，包括一种量子点、二种“色心”，使量子处理装置向实际应用跨出一大步。

海底捞针：量子计算机不怕

作为量子计算机领域的前沿科学家，沃科维克表示：“当人们认为一件事不可能完成时，喜欢用‘大海里捞针’来形容，但量子计算可以做到。”量子计算机之所以拥有如此强大的能力，在于其依赖的激光与电子间相互作用的复杂性，这是最关键的技术。

量子计算机的工作原理是将自旋电子封闭在一种新型半导体材料内，当用激光照射它们时，激光能与电子相互作用，使电子呈现不同的自旋状态。传统计算机基于数字0和1的二进制系统运行；而量子计算机则基于量子比特进行运算。这些量子比特是代表0和1的两种状态的叠加，可以是0和1之间的任何数值。沃科维克说：“在量子系统内，激光撞击电子能创建许多可能的自旋态。自旋态越多，能执行的量子计算就越复杂。”

近20年来，沃科维克实验室一直专注于研发能在室温环境下运行的量子芯片。最近，他们与其他实验室合作，对三种材料进行了测试，结果其中一种材料完全能在室温下运行，使量子计算机迈出了重要一步，不再只是“纸上谈兵”。

全新量子点：精确控制光子输入输出

沃科维克团队基于三种不同材料研制出三种基本功能单位，其作用类似于传统硅基芯片中的晶体管。他们基于半导体晶体材料，通过调整晶体内的原子阵列，创建出能将单个自旋电子“禁闭”起来的结构单位。

第一种结构是量子点，有关论文发表在《自然·物理学》杂志上。量子点是由半导体材料制成的、直径不到20纳米的球形或半球形结构，外观呈极小的点状，能将自旋电子封闭在纳米球内。他们向砷化镓晶体内掺杂少量砷化铟制成的量子点，能成功通过激光—电子相互作用控制光子的输入和输出，而且，与之前发出单个光子不同，这次的光子能两两结伴而出。沃科维克表示，与那些需要低温制冷的量子计算机平台相比，他们的量子点更实用，虽然目前还不能用于创建通用量子计算机，但完全可用来创建防止篡改的安全通信网络。

两种“色心”：从低温到室温的突破

在另两篇发表于《纳米通信》杂志的论文中，沃科维克团队介绍了一种完全不同于量子点的方法：用“色心”技术捕获电子。色心是指透明晶体中的点缺陷、点缺陷对或点缺陷群，这些缺陷能捕获电子或空穴，吸收光子使晶体呈现不同颜色。

一篇论文描述的色心在钻石中构建而成。天然钻石的晶格由碳原子构成，但他们用硅原子取代钻石中的部分碳原子，在钻石晶格中创建出多个色心。这些钻石色心能高效捕获自旋电子，但仍需制冷到一定温度。

沃科维克还与其他团队合作，开发出第三种材料——高效修饰碳化硅色心。他们在另一篇论文中描述了对这种材料的测试结果。碳化硅是一种坚硬透明的晶体，常用来制造离合器板、刹车片和防弹背心。之前有研究报道，对碳化硅进行修饰后能制成在室温下工作的色心，但效率不高，不能用来研制量子芯片。而沃科维克团队通过敲除碳化硅中的部分硅原子，研制出了高效色心。然后，他们再在色心周围加入纳米线结构，大大改进了色心捕获电子的能力。

沃科维克表示，他们研制的高效色心完全能在室温下操作，是量子计算机研究领域的一大突破，为量子芯片的研制提供了可供实际操作的方法。但她同时表示：“这三种材料哪种最终会脱颖而出，我们还需继续研究。”