科学家开发出稳定量子门: 通向量子计算机的里程碑

2017-12-11 16:57

德国康斯坦茨大学与美国普林斯顿大学及马里兰大学的物理学家合作，开发出了一种基于硅双量子位系统的稳定的量子门。量子门作为量子计算机的基本元素，能够执行量子计算机所有必要的基本操作。这项研究成果被称为通向量子计算机的里程碑，已于近日发表在《科学》杂志在线版。
量子计算机比传统计算机对外部干扰要敏感得多，因此，创造稳定的量子门，即量子计算机的基本切换系统，成为科学家的主要目标。此次，德美联合研究团队利用单个硅电子的电子自旋作为量子位（即基本的信息存储单元），他们创造的稳定的量子门，可以精确控制和读取两个量子位的相互作用。

量子计算机
该研究的第一个成就是从硅片的数十亿个原子中提取单个电子。负责项目协调的康斯坦茨大学物理学教授格依多·伯克哈德介绍说：“这是由我们普林斯顿同事完成的极了不起的成果。”研究人员利用电磁吸引力和斥力的组合，将单个电子分离出来，然后精确地排列，让每个电子嵌入一个“槽”中，使其处于一种稳定状态。
接下来的挑战是开发一个可以控制每个电子自旋脉冲的系统。他们采用的方法是：每个电子都置于一个纳米电极上，通过所谓的磁场梯度，创建一个定位磁场，用其控制电子的旋转脉冲，由此创造了稳定的一个量子位系统，以电子自旋形式存储和读出信息。
但仅有一个量子位还不足以构成量子计算机的基本切换系统，必须要有两个量子位。这项研究的决定性一步是康斯坦茨大学研究人员将两个电子的状态耦合在一起，形成双量子位系统。通过这种结合，可以构建基本的切换系统，利用它可以执行量子计算机的所有基本操作，例如，可以对系统进行编程，使得电子只有当其相邻电子在预定方向上具有自旋时才旋转。下一步，康斯坦茨大学的科学家还将建立一个稳定的系统来控制两个单电子的旋转。
来源：科技日报记者顾钢

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