量子态信息读取处理有新方法

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计算机芯片的基本处理单元是晶体管，随着芯片处理能力的增加，晶体管体积也不断变小。如果摩尔定律不变，那么在大约2030年左右，每个晶体管将只 有氢原子那么大。届时，即使我们能制造这么小的晶体管并且解决了芯片的耗能和散热的问题，根据量子力学，单原子和电子的行为将表现出不同于经典力学的奇特 的方式。对用传统方法设计的计算机单元来说，量子效应将成为一种主要的障碍。因此，传统的硅芯片计算机将不可避免地遭遇发展极限。向更微观的原子世界进 军，开发量子计算技术将是唯一的出路。

　　近日美国和德国科学家在研制量子计算机的道路上又迈出了一大步，提供了一种读取磷原子自旋态储存信息的方法。这份研究将刊登在12月的《自然·物理》杂志上。

犹他大学助理教授克里斯托弗·伯麦领导了这项研究，他说：“我们的工作是纳米尺度读取数据装置机理上的突破。我们已经用试验证明掺杂在硅中的磷原子原子核自旋方向可以通过流经磷原子的微弱电流测出。”

　　伯麦说：“我们解决了制造磷-硅量子计算机的一个主要障碍，我们找到了一条新的途径来读取数据。”

　　在现代电子计算机中，信息借助带负电的电子流动进行传输。计算机中的晶体管是储存数据的电子开关，不带电为关闭，带电为打开，也就代表了一个字 长度的信息：0或1。比如，使用3个字长可以有8种组合形式1-1-1，0-1-1，1-0-1，1-1-0，0-0-0，1-0-0，0-1-0和0- 0-1，当然这3个字位同时只能储存其中的一种组合。

　　尽管量子计算机还没有问世，但由于量子力学的特殊原理，这种最小的颗粒可以同时具有不同的能量位。在量子计算机中，一个量子位可以同时是0又是 1。所以对于3个量子位长的数据，一个量子计算机可以同时储存8个组合。这也就意味着3量子位的量子计算机是普通的3位计算机计算机速度的8倍。现在典型 的个人计算机可以同时计算64位。而64量子位的量子计算机的速度将是它的2的64次方，或者说是它的1800亿亿倍。

　　为了实现量子计算，研究人员一直在纳米尺度(分子和原子级)上探索着多种储存和处理信息的方式。这些方法包括光学量子计算机，以光、离子、原子外的电子轨道能级、量子点、原子核的自旋或磁性取向等制成开关的形式来储存数据。

　　1998年，澳大利亚物理学家布鲁斯·凯恩在《自然》杂志上曾提出了硅基原子核自旋量子计算机的概念。在这种计算机中，被用作计算机芯片的半导体硅中“掺杂”了磷原子，数据就编码在这些原子核的自旋态中。可以使用外部电场来读取和处理这些储存在“自旋”中的信息。伯麦等人的研究验证了凯恩设想中的数据读取环节。

　　这里需要解释一下什么是自旋。一种简化了的描述就是，想象每个粒子——比如电子或原子中的质子——含有一个微小的磁棒，就像一个罗盘针，它要么 指向上方，要么指向下方以表示粒子的自旋。对于以自旋为基础的量子计算机，下或者上分别代表了0和1，一个量子位可以同时取0和1两个值。

　　伯麦等人的研究的对象就是这种掺杂了磷原子的硅。研究人员使用了一块300微米厚、不到3英寸长、大约0.1英寸宽的硅晶体，上面掺杂了磷原 子。之所以掺杂是由于如果太多磷原子排列得太靠近会相互作用导致无法储存信息。一个磷原子核自旋可以储存一个量子位的信息。科学家使用平版印刷技术使两个 金电极接触掺杂硅。然后将一个大约2纳米厚的二氧化硅薄层放到硅上、两个金触点之间的区域。这样，这个装置表面就具有了可以测量磷原子自旋的微小区域。

　　通过在金触点间施加微小的电压，可以产生比普通5号电池小 一万倍的电流。如果在万分之一秒中测量这个电流，它将是一个恒定值，表明硅中的磷原子自旋是随机的，半数朝上，半数朝下。接下来将这个装置用液氦冷却到- 268℃时，大部分磷原子都指向下方。然后再对样品施加磁场和微波辐射，使磷原子自旋在几亿分之一秒内不断上下同时变化。结果，电流也随着上下变动。

　　这就是读取磷电子旋转的基本方法。由于已知电子旋转和原子核旋转的关系，因而也可以由此得知磷原子核的自旋态。

　　在试验中，他们利用外部电场成功读取了1万个接近硅表面的磷原子的原子核和电子的净自旋(netspins)。当然，量子计算机必须能够读取每 个粒子的自旋，而不是上千个粒子。但在过去的研究中，使用磁共振技术仅可以读取100亿个磷原子集体的净自旋态，因此新研究可以说前进了一大步，改善了一 百万倍，下一步只需再改善一万倍就可以读取每个原子的自旋。

　　这其实是一个量子物理学特征，也是制造使用量子计算机的一个大难题：量子纠缠。当两个或多个粒子互相影响时，不可能独立描述任何一个量子的状态。即使当它们随后即被分开很远的距离，它们的行为仍表现得好像是一个整体。

　　新研究表明，使用电学方法不仅可以探测(读取)电子自旋，也可以读取更稳定原子核自旋中所储存的数据。伯麦说：“我们找到了可用于测量距硅表面不到50个原子距离的独立磷原子核自旋态的机理。通过改进设计，可以做出更小的装置来读取单个磷原子核。”

　　当然，在此研究的基础之上还有不少困难需要克服。伯麦说：“如果将量子计算机的开发进度与传统计算机进行对比，我们可能还处于算盘都还没有发现的阶段。我们才刚起步。”