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《硅为控制量子比特提供了更快的算法》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： Lightfeng
  • 发布时间：2018-06-24

  • 由于硅片中自旋，轨道相互作用的增强，量子比特现在更容易被量子计算中的设备所操控。

    硅量子计算机芯片有可能容纳数百万量子比特或量子位，以便比当今计算机的比特更快地进行信息处理。这转化为了高速数据库搜索，更好的网络安全和高效的材料和化学过程模拟。

    现在，来自普渡大学，荷兰代尔夫特理工大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究小组发现，硅具有独特的自旋，轨道相互作用，可以使用电场来操纵量子比特，而不需要任何人造因子。

    普度大学电气与计算机工程学院研究助理教授Rajib Rahman说：“在电子自旋中编码的Qubits在硅中特别长寿，但它们很难通过电场控制。旋转轨道相互作用是量子比特设计的一个重要的旋钮，在传统上被认为这种材料是很小的。”

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    • 量子比特是量子技术的基石，寻找或构建稳定且易于操作的量子比特是量子技术研究的中心目标之一。科学家们发现，一个铒原子——一种稀土金属，有时被用于激光器或给玻璃上色——可以是一个非常有效的量子比特。 为了制造铒量子比特，铒原子被放置在“宿主材料”中，在那里铒原子取代了一些材料的原始原子。两个研究小组——一个是由芝加哥大学普利兹克分子工程校友曼尼什·辛格创立的量子创业公司memQ的研究小组，另一个是美国能源部阿贡国家实验室的研究小组——使用不同的铒宿主材料来推进量子技术，展示了这种量子比特的多功能性，并强调了材料科学对量子计算和量子通信的重要性。 这两个项目解决了量子计算研究人员一直试图解决的挑战:设计多量子位设备和延长量子位存储信息的时间。 “这两项研究的成果确实凸显了材料对量子技术的重要性，”参与了这两个项目的阿贡国家实验室科学家、芝加哥大学凯斯实验室科学家F. Joseph Heremans说。“量子比特所处的环境和量子比特本身一样重要。” 启动memQ选择性地激活铒量子比特，使其更容易控制多量子比特设备。 铒作为量子比特很受欢迎，因为它可以通过与互联网和电话线通道相同的光纤有效地传输量子信息;它的电子也以这样一种方式排列，它特别能抵抗可能导致量子比特丢失信息的环境变化。 但是，将铒插入宿主材料的生长过程会以一种科学家无法精确控制的方式将原子分散到整个材料中，这使得设计多量子位器件变得困难。在一项全新的技术中，memQ的科学家们发现了一种解决方法:用激光“激活”某些铒原子。这项研究最近发表在《Applied Physics Letters》期刊上。 memQ的首席技术官兼联合创始人Sean Sullivan说:“我们实际上并没有把铒放在特定的位置上，铒分散在整个材料中。”他毕业于Duality，这是一个量子创业加速器，由芝加哥大学波尔斯基创业与创新中心和芝加哥量子交易所共同领导，创始合伙人是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、阿贡大学和P33。“但是通过使用激光，我们可以改变特定区域的晶体结构，从而改变该区域的铒的性质。所以我们正在选择使用哪种铒作为量子比特。” 该技术依赖于主体材料二氧化钛(TiO2)的特性。由于其对称性，TiO2的晶格有两种可能的构型。插入到晶格中的铒原子将以不同的频率进行通信，这取决于它所处的TiO2的结构。 在memQ的技术中，铒分散在一种结构的TiO2薄膜中。然后，高功率激光聚焦在某些铒原子周围的晶体上，永久地将TiO2扭曲成只有在这些位置的其他构型。现在，激光选择的铒原子都可以以相同的频率通信，完全与其他原子分离。 新程序代表了量子技术领域的重大进步，被称为固态技术。 memQ的首席执行官兼联合创始人Manish Singh表示:“你不可能在100个随机位置使用量子比特来构建有用的东西。”“通过我们的平台，我们可以选择在我们想要使用的布局中使用哪种铒，这是固态社区长期以来一直回避的功能。” 阿贡科学家实现了长铒量子比特相干时间 衡量量子位有效性的一个关键指标是它的相干时间:它可以保留量子信息的时间。这对于打算用作量子存储器的量子比特尤其重要，量子存储器相当于经典计算机存储器。但是相干性是非常脆弱的——一个量子位可能会因为与环境中的某些东西(如空气或热量)相互作用而失去相干性。 铒原子可以利用它们的电子来保留量子信息，这些电子具有一种称为“自旋”的特性。原子核，即原子中心的质子和中子簇，也有“自旋”，电子和原子核的自旋可以相互影响。铒量子比特丢失量子信息的一种常见方式是，它的电子自旋与它周围一个原子的核自旋相互作用。 因此，阿贡国家实验室的研究员Jiefei Zhang为铒寻找了一种宿主材料，这种材料具有尽可能低的核自旋，但也可以用更传统的硅技术制造。她发现了一种不同的氧化物，这次是一种稀土元素:二氧化铈，也被称为铈(CeO2)。 铈是最丰富的稀土元素，在工业化学中用作氧化剂和催化剂。不像TiO2有多种可能的结构构型，CeO2只有一种，而且是极度对称的。正因为如此，在CeO2中的铒量子比特更加稳定。 “在铈中，两个不同的铒量子比特将看到相同的晶体环境，”Zhang说。“因此，同时控制它们非常容易，因为它们的行为方式非常相似。” 值得注意的是，memQ开发的新定位技术在像ceo2这样高度对称的晶体结构上是不可能的，但是Zhang能够从铒量子比特中看到更长的相干时间，随着他们继续发展实验，有可能更长。该作品可以在预印本服务器arXiv上找到。 Zhang说:“每种材料肯定都有优缺点，这在量子领域很常见。” 二氧化钛的研究是由memQ与Jonghoon Ahn博士、F. Joseph Heremans博士和Argonne国家实验室的Supratik Guha博士合作完成的。CeO2的工作来自F. Joseph Heremans博士、Supratik Guha教授和David D. Awschalom教授的团队，David D. Awschalom教授也是CQE的主任。该研究由Guha小组的研究生Gregory Grant和Jiefei Zhang博士领导。memQ与阿贡的关系超越了与CQE的关系。联合创始人Sullivan和Singh在阿贡国家实验室相识，当时他们分别是Guha和Awschalom小组的研究生和博士后科学家。memQ也是阿贡国家实验室为期两年的企业家奖学金项目Chain Reaction Innovations的一部分。
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