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量子计算机实现的关键:铋元素 9/7/2010
英国的伦敦大学学院(University College London,UCL)与位于美国佛罗里达州的国家高磁场实验室(National High Magnetic Field Lab,NHMFL),合作开发出一种能在硅芯片中更有效率地将量子信息(quantum information)编码的方法。
磷(phosphorus)一直是传统 IC制程中做为掺杂物融入硅材料中的元素,铋(bismuth)虽然也能与硅兼容,但到目前为止却一直被忽视;不过UCL与NHMFL的研究人员发现,铋在对量子态进行编码时的表现比磷还要好。
铋是最重的稳定原子,并有相当大的核子自旋(nuclear spin)──其量子自旋就像是小小的罗盘针,会相应不同程度的倾斜,呈现出十种状态中的一种,而不是像磷核子那样只有两种方向。这种特性让铋核子比磷原子能储存更多的量子信息,因为量子态空间(quantum state space)现在是十度空间(ten dimensional)而非二度空间。
以上的观察引出了一个可在硅中结合铋与磷原子的“梦幻组合”构想──因为它们是不同的元素,所以能单独被运用;在铋储存量子信息的同时,磷则能提供访问控制与信息流。“需克服的实验性障碍,包括在硅芯片中使用铋来做为量子信息的准备、控制与储存。”为上述研究论文主笔、来自UCL伦敦奈米科技中心(LCN)的Gavin Morley解释。
Morley接着指出,在这个案例中的原则是越大越好,因为较大的铋原子核能提供更多空间来储存量子信息。论文的共同作者,同一研究单位的Marshall Stoneham补充:“如果能用以上概念打造出一部量子计算机,就能解决一些长久以来被认为的问题。”
Stoneham表示,使用一种原子在硅芯片中储存量子信息,再用另一种原子来进行控制,就像是在一场单人独白中加入另一个人与之对话,会有趣得多。NHMFL总监Greg Boebinger则表示:“这个结果对于采用硅芯片来进行量子科技研究,是很大的鼓舞。”

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