捕一個電子進“柵欄” 美找到快速操控單個電子的新方法

人們在設計和制造具有革命性的量子計算機的過程中，所遭遇到的最主要的障礙是如何尋找到合適的途徑操控單個電子，因為構建量子計算機的處理部件或“量子比特”將是電子。日前，美國普林斯頓大學物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大學圣巴巴拉分校的科學家通過研究尋找到了操控電子的方法。該方法能改變單個電子的特性，而同時又不干擾成萬億計的鄰近電子。該研究成果為未來開發多種處理能力超強、運算速度超快的計算機奠定了基礎。
　　培塔的研究小組將電壓加載到微小電極上，從而開發出了將一個或兩個電子俘獲進顯微柵欄（量子阱）中的新方法。在近期出版的《科學》雜志上，他們發表文章介紹了電子是如何被俘獲到柵欄中形成“自旋量子比特”的。
　　在普通計算機中，其信息單元為比特，自旋量子比特則是量子計算的信息單元。為獲得量子比特，過去的實驗所采用的技術是將電子置于微波輻射的環境中，然而這種技術會導致所有的電子出現一致性，因而不能用來操控自旋量子比特中的單個電子。此外，該方法還存在著速度慢的缺陷。培塔的新方法不僅能夠控制單個電子，而且速度非常快，只需十億分之一秒。
　　培塔表示，如果能夠獲取小到像單個電子這樣的物質并將其隔離起來不受外界影響，那么這個電子就具有量子力學的表現。人們要做到的就是讓電子停留在被隔離的狀態中并依照人們的愿望去行動。然而，被隔離電子的周圍環境始終在干擾它，干擾過程會導致電子失去自己的量子力學性質。
　　在培塔的實驗中，當電子進入量子狀態時，這些電子具有相干性（或者一致性），遵從的規則完全不同于人們裸眼所見世界所遵循的規則。在量子物理王國中生存的時間不足1秒鐘的電子遵守描述超小物質行為的獨特的物理學定律。
　　培塔和其同行從事的領域為量子控制，他們的目標是要掌握如何在量子力學的作用下操控物質，只有操控物質才能了解物質特性，以便有能力發展量子計算機這類技術。量子計算機的設計將有效地利用這些物質的特性，以豐富它們在許多方面的應用。
　　除了帶電外，電子還具有自旋的特性。在量子力學世界，物質能夠表現出與常見特性完全不同的特性。獲得1945年諾貝爾物理學獎的奧地利理論物理學家沃爾夫岡·泡利曾提出，處在量子狀態的每個電子可假設呈“上旋”（spin-up）或“下旋”（spin-down）兩種狀態之一。這可以看做是一個微小條形磁鐵的行為，“上旋”時對應于磁鐵N極向上，“下旋”時對應于磁鐵N極向下。
　　量子狀態下的電子能夠同時呈部分“上旋”和部分“下旋”狀態或呈“上旋”和“下旋”之間的任意狀態，量子力學這種特性被稱為“態疊加”。一個基于電子自旋的量子比特具有近無限的潛能，這是因為它的狀態既不是嚴格的“開”又不是嚴格的“關”。
　　培塔完成的新設計利用了電子自旋“態疊加”特性所提供的多種可能性，以便增強計算能力。在過去的10年里，理論學家和數學家尋找到了能夠借用電子“態疊加”的運算方法，可以現代超級計算機不可企及的速度進行復雜運算。
　　簡而言之，培塔的研究工作極大地利用了電子自旋特性。德國康斯坦茨大學理論物理學家吉多·巴卡德表示，在利用電子自旋量子比特研發量子計算機的過程中，核自旋是典型的令人生厭的事情。培塔和其同事展示了利用核自旋來完成快速量子操作的新方法，對于固體量子計算機而言，他們的研究結果是一個巨大的進步。
　　培塔將自己獲得的自旋量子比特視為未來量子邏輯元件的核心。實驗中，自旋量子比特被冷卻至接近絕對零度，并俘獲在高純度砷化鎵芯片表面形成的兩個量子阱中。每個量子阱的深度由施加在電極或量子阱門上可變化的電壓來控制，通過有選擇性的門電壓切換，研究人員可將電子從一個量子阱移動到另一個量子阱中。
　　普林斯頓大學復合材料中心主任費恩·昂表示，在培塔研究小組的實驗之前，人們不清楚如何在操控一個電子自旋的同時，而又不影響附近空間中另一個電子自旋。
　　培塔的研究是新興的自旋電子學領域的一部分。在自旋電子學中，科學家研究的是如何利用電子自旋特性研發新型電子設備。目前，大多數電子設備的運行是基于電子的另一個重要特性：電子帶電特性。
　　培塔認為，他們還面臨著許多的挑戰。他說，他們的研究只是在認識整個體系的構建模塊，探索它的局限性，以及如何去克服這些局限性。現在還僅處在操控一個或兩個量子比特的水平，要做更多的事情則需要數百個量子比特。雖然對取得的進展感到高興，但他表示，這離長遠的應用還需數年的時間。