门控量子位：量子计算机的新希望

　　一种通过嵌入到硅中的磷原子制成的金属栅极可以用来对量子位进行编程。这种结构可以帮助研究者将单一的量子比特扩展称全量子计算机。

　　

　　近日，澳大利亚新南威尔士大学的一个由Andrea Morello领导的团队借助晶体管设计的方法，研制出了一种可控的硅中长寿命的量子位的电子门控方案。这为全尺寸的、基于硅的量子计算机铺平了道路。

　　使用超导电路的量子计算近年来获得了很大的关注，这多亏了谷歌的财大气粗和D-Wave的计算系统所引发的争论。尽管如此，仍有一些研究人员将目光放到了硅上面，部分原因是硅材料本身有可以制成稳定的、小巧的量子计算机的潜力。

　　制造硅量子位的一个方法是添加杂质，也叫“供体”，如向硅中添加磷原子。这样的量子位通过相对隔离的方式嵌入，这种方法已经打破了量子位存储的时间长度的记录；在某些案例中，它们可以将信息存储几分钟甚至几个小时！

　　该团队的成员Arne Laucht说，但到目前为止，只能用处于合适振荡频率的磁场脉冲来控制供体量子位，从而设定量子位的状态或进行逻辑运算。

　　“这种方案在单个量子位上确实可以很好地工作，只要在单个量子位旁边添加一个片上微波芯片和可以生成高频脉冲的微波源就行了。”Laucht在邮件中说，“但是想一想如果有100个甚至更多的量子位，磁场本身就很难局限在一个小空间范围内，它会很容易影响到附近的量子位。不仅如此，由于每一个量子位都需要自己的微波源，而目前每一个微波源的成本超过了100000美元。”

　　

　　幸好还有另一种解决方案。1998年，物理学家Bruce Kane为基于硅的量子计算机给出了一个方案，其中每一个供体都有自己的门控。在Kane的方案中，一个单独的微波源可以将震荡磁场覆盖计算机内的所有量子位。这个磁场一般不会影响到量子位。但通过施加电压，将供体原子中的电子轻微地偏向。这种影响会转向振荡电场，然后原子中的电子和原子核会对此作出反应。

　　如果这项设计是正确的，那么就会引起原子中原子核的共振，从而改变其状态。（这里的“状态”包括自旋态，自旋态是基本粒子的性质之一，它可以指向一个或两个方向，就像薛定谔的猫一样。）

　　在这项新的成果中，Laucht及其同事证明使用这种方法来控制供体林的电子和原子核的自旋是可能的。这项研究的详细结果发表在周五的Science Advances杂志上。

　　Laucht说实现Kane门控理论的关键是使用已经纯化了同位素的硅，并且要完全将供体原子和磁场干扰进行隔离。这缩小了电子共振的线宽，使得研究者可以使用很小的电压将量子位移入和移除共振态，而很小的工作电压也避免了其可能对环境产生的干扰。

　　“就我们所知，目前还没有其他的单个量子位控制技术和我们采用了类似的方法。”伦敦大学学院的John Morton说，他目前在和新南威尔士大学的研究人员就这一方面进行合作。

　　但Morton补充说目前仍还有一些存在的问题有待解决，如研究者在考虑使用该系统集成更多的量子比特。“我们现在需要做的是弄清楚应该怎样在硅上制出可以用来通信的阵列。目前没人有一个完美的计划。”

　　Kane的建议还包括能够控制量子位之间交互的门控。但这样的控制门目前还难以制造，因为需要将这样的门做到非常小，以至于能够恰好放到两个原子之间。Laucht说，幸运的是，他说，实现量子位之间的交互还有很多有潜力的方法，他和他的同事们正在向实现这一目标而努力。