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科学家在半导体中生成新量子比特

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2012/03/26

科技日报 2012年03月26日星期一

本报讯据美国物理学家组织网3月21日报道，一个国际研究团队通过单个电子获取了新类型的量子比特，使未来数据处理可包括比“0”和“1”更多的基础要素。此外，以前量子比特仅能存在于较大的真空腔中，而新量子比特可在半导体中生成出来。这代表了量子计算发展进程中一项重要的进展。相关研究报告发表在近期出版的《自然·纳米技术》杂志上。

科研人员表示，当今数据处理的基础单元是“0”和“1”比特状态。处于双通道中一条通道内的电子将沿指定的并联支路前进，每次只能通过一个电子。借助隧道耦合，电子能够在通道间来回切换，从而呈现出两种不同的状态，事实上电子会在两个轨道内同时飞起，而两种状态也将重叠。

为了编码这些状态，电子的电荷十分关键。虽然电子同样具有其他特性，但电荷才是对于量子比特来说确切需要的。从比特到量子比特的延伸能显著增加计算机的计算能力。

一个量子比特相当于具有特别状态的单个电子。科研人员可利用单个电子通过两个紧密相邻通道的轨迹进行编码。本质上，两种不同的状态是可能的：电子或者在上面的通道移动，或者在下面的通道移动，随后形成一个二进制系统。然而根据量子理论，一个粒子可同时保有多种状态，也就是说，它能够近似于同时飞跃两个通道。这些重叠的状态能形成一个广泛的数据处理字符。

为了生成具有不同状态的量子比特，研究人员允许单个的电子相互干涉，这就是所谓的阿哈罗诺夫—玻姆效应：由外加电压驱动，电子能够飞跃具有半导体性质的固体。在这一固体之中，它们的飞行轨迹先分叉，再重新结合。因此，每个电子可同时飞过两个可能的路径，当两个路径重聚在一起，就会产生干涉，例如，两束电子波会发生重叠，具有不同重叠状态的多个量子比特就会被生产出来。

通常，一束电子波会在穿过固体时同时穿越不同的路径。由于材料中的杂质，它会失去自己的相位信息，并因此失去其编码特别状态的能力。为了保持这些相位信息，研究人员培育出了高纯度的砷化镓晶体，并使用了德国波鸿鲁尔大学物理学教授安德里亚斯·维克在20年前提出的双通道法。

一个电子能通过双通道到达分叉处，而隧道耦合可使电子能同时飞跃两种不同的路径，电子波的相位也将通过耦合保持下来。同样，研究团队在电子波于分叉末端重新聚合时也使用双通道。借助这种方法，他们能够生产出具有明确状态且适合信息编码的量子比特。研究人员表示，并非所有的电子都会参与这一过程，目前参与的电子仍是一小部分，但他们已经开始尝试使用具有更高电子密度的晶体，以提升电子的参与率。（张巍巍）

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