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通过对声波的冲浪控制的单电子的量子态

  • 科学
  • 2019-10-11 08:50:12
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研究人员已经成功地使用声波来控制单个电子中的量子信息,这是朝着由半导体制成的高效,坚固的量子计算机迈出的重要一步。

这个国际团队,包括来自剑桥大学的研究人员,在经过改进的半导体器件上发送了高频声波,以指导单个电子的行为,效率超过99%。结果发表在《自然通讯》杂志上。

量子计算机将能够利用亚原子级的粒子的奇怪行为以及诸如纠缠和叠加之类的量子现象,解决以前无法解决的计算问题。但是,精确控制量子粒子的行为是一项艰巨的任务。

合著者Hugo Lepage博士说:“使量子计算机如此强大的是它的指数级扩展能力。剑桥卡文迪许实验室的候选人,为当前研究进行了理论研究。“在传统计算机中,要使信息量增加一倍,就必须使位数增加一倍。但是在量子计算机中,只需再增加一个量子位或qubit,就可以使信息增加一倍。”

上个月,来自Google的研究人员声称已经达到了“量子至上性”,即量子计算机可以执行的计算超出了最强大的超级计算机的能力。但是,谷歌,IBM和其他公司正在开发的量子计算机是基于超导回路的,该回路是复杂的电路,并且像所有量子系统一样,非常脆弱。

莱佩奇说:“最小的波动或偏差将破坏回路的相位和电流中包含的量子信息。”“这仍然是一项非常新的技术,超出中型规模的扩展可能需要我们降低到单个粒子级别。”

代替超导回路,量子计算机Lepage和他的同事们正在设计利用电子的“自旋”(其固有的角动量,可以向上或向下)来存储量子信息。

Lepage说:“利用自旋来为运行中的量子计算机提供动力比使用超导性更具可扩展性,并且我们相信使用自旋可以使量子计算机变得更加健壮,因为自旋相互作用是由自然规律决定的。” 。

使用自旋可以使量子信息更容易与现有系统集成。当前工作中开发的器件基于广泛使用的半导体,并做了一些小的修改。

该设备由内佩尔研究所的Lepage的合著者进行了实验测试,测量的长度仅为百万分之一米。研究人员在半导体上放置了金属栅极,并施加了电压,从而产生了复杂的电场。然后,研究人员将高频声波对准设备,使其振动和变形,就像小地震一样。随着声波的传播,它们会捕获电子,并以非常精确的方式将其推动通过设备,就像电子在声波上“冲浪”一样。

研究人员能够以99.5%的效率控制单个电子的行为。“以这种方式控制单个电子已经很困难,但是要达到拥有一台工作的量子计算机的水平,我们需要能够控制多个电子,随着量子位开始与之相互作用,电子变得越来越困难。彼此。”

在接下来的几个月中,研究人员将开始测试具有多个电子的设备,这将使工作中的量子计算机更近一步。

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