金刚石自旋量子比特新进展

金刚石自旋量子比特新进展

2021-11-03 16:05:58 0

美国两个独立的物理学家团队解决了制造实用量子计算机的重大挑战。一个研究小组发明了一种读取超导量子比特(量子位)的新方法,而另一个研究小组则提出了一种新的方法来获得金刚石中的自旋量子比特以便相互作用。


任何可行的量子计算机都需要孤立的量子态,它可以在相对较长的时间内存储信息量子比特。这些量子位必须能够在适当的时间相互作用,以便能够处理信息并读出结果。正是这些经常相互冲突的要求使得制造一台实用的量子计算机变得非常困难。


在《科学》杂志的第二篇论文中,哈佛大学的Mikhail Lukin及其同事使用金刚石中的两个硅空位中心作为两个量子比特。当金刚石晶格中的两个相邻碳原子被一个硅原子取代时,硅空位中心就产生了。硅的自旋产生了良好的量子位,因为它与电噪声隔离,但在某些频率下与光相互作用。


挑战在于让两个硅空位中心彼此交互。该团队将两个硅空位中心放置在一个光腔中,这极大地增加了它们相互作用的可能性:“两个硅空位中心在黑暗的房间里有点像两个人试图用昏暗的手电筒向对方发送莫尔斯码信号,”哈佛大学Ruffin Evans解释道。“如果你通过在每个墙壁上背靠背放置镜子来形成一个空腔,那么光线就会来回反射,让人们有更多的机会看到信号。”当调谐到相同频率的共振时,两个硅空位中心通过相互作用混合形成超辐射“亮”状态和非辐射“暗”状态。


创建两个相互作用的量子位并不是什么新鲜事。其他研究人员已经更进一步,使用不同的量子比特技术创建了工作的量子逻辑门。Evans解释说:“我们工作的创新之处在于,即使光和物质之间的相互作用通常非常微弱,我们仍然能够利用光在这两个硅空位中心之间创造一种相互作用。下一步是利用这种相互作用来创建一个真正的量子门。这样一个设备系统应该自然地有助于创建一个“量子互联网”,使用基于光子的量子位元通过光纤进行长距离传输。


加拿大卡尔加里大学的巴里·桑德斯告诉《物理世界》杂志,他认为,如果可以提高测量保真度,那么McDermott小组的工作可能直接应用于量子计算。他说:“超导电路通常被认为是实现可伸缩量子计算最有希望的方向,但一个很大的缺点一直是缺乏单光子检测。”“这是一个很棒的计划,在我看来是可行的。”


金刚石是自然界存在的特殊材料之一,具有最高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等,如下表。虽然天然金刚石具有这些独一无二的特性,但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在,其性质的多变性和稀有性极大地限制了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身,且成本较天然金刚石低,能够制备各种几何形状,在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。



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