日前，加拿大科學(xué)技術(shù)研究所（IST）領(lǐng)導(dǎo)的法國科學(xué)團(tuán)隊(duì)成功建立了空穴載流子量子位。在弱磁場(chǎng)環(huán)境下，該量子位可高速操作并保持較長(zhǎng)時(shí)間，將來有望造出結(jié)合半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的新型量子計(jì)算機(jī)。
載流子量子位被覺得是建立量子處理器的最有希望的候選者之一，但仍需克服巨大的挑戰(zhàn)。其中的關(guān)鍵是建立穩(wěn)定的量子位，它是量子計(jì)算機(jī)的基本單元。
近來，該研究所的卡薩羅斯小組在乎大利、德國和意大利的團(tuán)隊(duì)成員幫助下，通過一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展示了她們?cè)趺纯刂乒腆w中一個(gè)空穴載流子量子位，從而找到一種新的、有前途的量子位系統(tǒng)。相關(guān)成果發(fā)表在近期的《自然·材料》雜志上。
研究人員是在所謂空穴載流子的幫助下完善的量子位。電子空穴指的是在原子或原子晶格中，電子在可能存在的位置上出現(xiàn)空缺。因?yàn)橹車娮涌梢詮浹a(bǔ)這個(gè)空穴，同時(shí)在原位置形成一個(gè)新的空穴，所以看上去好似是空穴在聯(lián)通一樣。
論文第一作者、該研究所的達(dá)尼爾·吉羅維茨解釋說，我們歐洲的朋友將不同的硅和鍺層疊在一起，長(zhǎng)度僅為幾納米。這使我們能否鎖定中間含鍺層的空穴。在表面層，我們放置了稱為門的細(xì)電纜線，通過施加電流來控制空穴的運(yùn)動(dòng)。帶正電的空穴對(duì)電流起反應(yīng)鍺與量子通訊，而且可以在鍺層內(nèi)非常精確地聯(lián)通。
通過這些納米尺度的控制，研究人員使兩個(gè)空穴彼此緊靠，便于從它們互相作用的載流子中形成一個(gè)量子位。因此她們創(chuàng)新了方式，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)放在磁場(chǎng)中。吉羅維茨和同學(xué)除了可以聯(lián)通空穴，還可以改變它們的屬性。在不到10毫特斯拉的磁場(chǎng)硬度下，從兩個(gè)互相作用的空穴載流子中創(chuàng)建了量子位。與其他類似的量子位相比，這是一個(gè)很弱的磁場(chǎng)，前者通常須要起碼強(qiáng)十倍的磁場(chǎng)。
這種空穴載流子量子位很有前景鍺與量子通訊，高達(dá)每秒1億次的處理速率和歷時(shí)150毫秒的壽命，使它們非常適宜量子估算。一般研究人員必須在這種特點(diǎn)之間作出妥協(xié)，但如今這些新的設(shè)計(jì)將這兩種優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。吉羅維茨說：“通過使用鍺層，可以減少所需的磁場(chǎng)硬度，容許我們將量子位與一般遭到強(qiáng)磁場(chǎng)抑制的超導(dǎo)體結(jié)合。”這使研究人員才能建立結(jié)合半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的新型量子計(jì)算機(jī)。