碳化硅晶格缺陷可變成量子比特
2011-11-08 22:12:08 本站原創(chuàng)據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)11月3日（北京時間）報道，最近，美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳化硅中包含的晶格缺陷可以在量子力學(xué)水平 被操控作為一種室溫下的量子比特來使用，這一發(fā)現(xiàn)使碳化硅有望成為下一代信息技術(shù)的核心，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)，探索超快計算、納米傳感等量子物理領(lǐng)域。相 關(guān)論文發(fā)表在本周出版的《自然》雜志上。
在傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子設(shè)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(fā)現(xiàn)，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(tài)，通過一種光與微波輻射結(jié)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(xué)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(shù)的基礎(chǔ)。”論文作者、該校自旋電子及量子計算 中心主管、物理學(xué)教授大衛(wèi)·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(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體的電子特征密切相 關(guān)。目前已知的唯一擁有相同特征的系統(tǒng)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(dǎo)致，也能在室溫下用作量子比特，而其他物質(zhì)的量子態(tài)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(yè)中用的高質(zhì)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(shè)備、光電設(shè)備和電動機械設(shè)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(xiàn)代電訊網(wǎng)絡(luò)所用的光很接近。未來的集成量子設(shè)備有著精密的電子和光學(xué)線路，這些獨特的性質(zhì)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(shè)計量子機械設(shè)備。就像城市工程師能按照載荷能力、跨度設(shè)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(huán)境相互作用度等規(guī)格指標(biāo)來設(shè)計量子電器設(shè)備。”論文領(lǐng)導(dǎo)作者、奧斯卡羅姆實驗室研究生威廉姆·凱爾說。
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(tài)。而這點不同也標(biāo)志了量子計算機和傳統(tǒng) 計算機在運算方式及運算能力上的截然區(qū)別。不過，量子技術(shù)要想得到真正廣泛的應(yīng)用，還必須改變它對環(huán)境等客觀因素的嚴(yán)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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