光可以解決量子計算的一個大問題

研究人員已經展示了紅外激光脈衝如何將半導體薄片內的電子在兩種不同的狀態（傳統的1和0）間進行轉換。該技術可以幫助解決量子計算的一個重大問題。

密歇根大學(University of Michigan)電氣工程和計算機科學教授馬奇洛·基拉(Mackillo Kira)稱，「普通電子產品的千兆赫茲範圍是每秒10億次，而這種方法快了上百萬倍。」

量子計算可以解決傳統計算機耗時過長的問題，推動人工智慧、天氣預報和藥物設計等領域的發展。量子計算機通過量子力學比特或量子比特(不僅是1或0的方式，而且也可能是這些狀態的混合物，稱之為疊加)獲得能量。

基拉(Kira)稱，「在傳統的計算機中，必須一個接一個地存儲和處理每個比特配置，而一組量子比特在理想情況下可以一次存儲和處理所有配置。」這意味著，當想要查看一堆可能的問題解決方案並找到最合適的解決方案時，量子計算可以更快實現。

然而，由於量子態非常脆弱，所以很難形成量子比特。英特爾、IBM、微軟和D-Wave等公司追求的主要商業途徑是使用超導電路——冷卻至極冷溫度（-321°F或更低）的電線迴路，在此溫度下電子停止碰撞，而是通過一種稱為一致性的現象形成共享的量子態。

這項新研究並沒有找到一種長期保持量子態的方法，而是展示了一種在狀態脫離之前進行處理的方法。

雷根斯堡大學(University of Regensburg)物理學教授魯珀特?胡貝爾(Rupert Huber)稱，「從長遠來看，引入量子信息器件是完全可能的，這種器件的運行速度比單個光波的振動速度快。這種材料製作起來相對容易，它可以在室溫空氣中工作，而且僅有幾個原子厚，因此它的體積非常小。」

該材料是蜂窩狀晶格中的單層鎢和硒。這種結構會產生一對稱為「贗自旋」的電子態。這不是電子的自旋(即使這樣，物理學家也說電子實際上不是在旋轉），但它是一種角動量。這兩個贗自旋可以編碼為1和0。

胡貝爾(Rupert Huber)的團隊利用快速的紅外激光脈衝將電子引入這些狀態，僅持續幾飛秒(千分之一秒)。初始脈衝具有自己的自旋，稱為「圓極化」，將電子發送到一個贗自旋狀態。然後，沒有自旋(線性極化)的光脈衝可以將電子從一個贗自旋推向另一個，然後再返回。

將這些狀態視為普通的1和0，就有可能創造出一種新型的「光波」計算機，它的速度是基拉(Kira)所提到的時鐘速度的百萬倍。這條路線的第一個挑戰將是使用一列激光脈衝隨意「輕擊」這些贗自旋。

然而，電子也可以在兩個贗自旋之間形成疊加態。對於一系列脈衝，應該可以進行計算，直到電子脫離其相干態。該團隊證明了它們可以快速輕擊一個量子比特，執行一系列操作——基本上，這個速度足以在量子處理器中工作。

此外，電子不斷發出光，從而更容易讀取量子比特，且不會干擾其微妙的量子態。順時針圓極化表示一個贗自旋狀態，逆時針方向表示另一個。

量子計算的下一步將是同時用兩個量子比特，彼此接近以至於彼此交互。例如，這可能涉及堆疊半導體片或者使用納米結構技術來隔離單個半導體片內的量子比特。

這項研究已在《自然》雜誌發表。德國馬爾堡大學(University of Marburg)的物理學家也為這項研究做出了貢獻。研究人員是在德國雷根斯堡大學進行的實驗。該項研究是由歐洲研究委員會和德國研究基金會資助。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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