矽基量子晶片

圖片來源: 

普林斯頓大學David Zajac

什麼材料才是量子電腦晶片的最佳解答?普林斯頓大學研究團隊12月7日在科學期刊(Journal Science)發表最新研究,他們用隨處可見同時也是現今傳統電腦晶片材料的矽,製造出可以控制讓兩個電子間表現出量子現象的高精度矽晶片。

研究團隊用矽材質,建造了一個可以控制兩個電子交互作用的閘門,並讓他們夾帶量子位元資訊,普林斯頓大學研究院長辦公室傳播經理Catherine Zandonella表示,這個幾乎零誤差的雙量子位元閘門的演示,是以矽材料發展量子電腦很重要的一步。而普林斯頓物理系教授Jason Petta也說,這個矽基量子技術實驗的成功,代表有機會建造大型的量子電腦。

Catherine Zandonella表示,矽基材料相較其他技術是更便宜的,即便現在已經有其他團隊發表可以容納50個或是更多的量子位元晶片,但是他們使用像是超導體或是雷射激發原子技術等較難以取得的材料與方法。

為了建造量子電腦,需要產生高保真配對量子位元,矽基量子技術是利用電子的自旋特性,以類似南北磁極指針上與下的方向作為編碼屬性,與傳統電腦晶片操控電子的負電荷不同。

而由於量子自旋態的脆弱性,要製作出高效能自旋量子設備非常困難,電子自旋方向很容易受外界因素影響,而普林斯頓大學量子設備奈米加工研究室(Quantum Device Nanofabrication Laboratory)製造出來的矽基量子裝置能長時間保持量子自旋不受干擾。

研究員在高度排序的矽晶體上鋪了一層很薄的氧化鋁,建造出兩個量子位元的閘門,在氧化鋁線路傳送電壓後,便能捕捉到被能量障壁分開的兩個電子,這樣的結構被稱為雙量子點(Double quantum dot),接著藉由降低能量障壁,研究員能讓電子產生量子糾纏(Entanglement),而被捕捉並產生量子糾纏的電子就能被拿來表達1與0。研究員可以使用第一個量子位元控制第二個量子位元,做出受控反閘(Controlled NOT gate)功能,是量子版本的其中一種邏輯閘,也就像是電腦電路元件的量子版。

Catherine Zandonella認為,量子電腦能藉由分析極大量的數字為複雜問題找出最佳解答,也能幫助科學家了解物理特性或是分析像是原子或是分子等小粒子,能被應用在材料科學或是藥性分析。

 

(下圖)兩個藍色小圓表示雙量子位元的矽基閘門中的兩個電子,將綠色與紅色的氧化鋁施予電壓後,研究員能捕捉並控制電子的自旋特性,轉為量子位元。


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