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量子计算

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量子存储器由掺杂硅制成

31 Mar 2017
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双自旋:量子记忆。量子存储器的电子显微镜图像。单电子晶体管用粉红色表示,微波天线用蓝色表示。虚线会聚在核和电子自旋的位置上。比例尺的长度为500 nm。 (礼貌:所罗门·弗里尔 等/量子科学与技术)

量子信息已存储在嵌入硅晶体中的单个磷原子中,然后在以后的时间进行检索。量子存储器是由澳大利亚的物理学家制造的,他们说这种存储器可能是基于硅的量子计算机的重要组成部分,与基于竞争技术的设备相比,它具有更大的可扩展性,紧凑性和更易于批量生产的潜力。

传统计算机中的长期存储非常简单。将数字位简单地从处理器复制到旋转磁盘或其他合适的介质中。但是,以量子比特或量子比特形式编码数据的量子计算机面临一个基本障碍–无克隆定理表明不可能复制量子比特或任何其他量子对象的状态。

相反,量子存储器涉及将量子状态从一个量子位转移到另一个量子位,从而在此过程中擦除第一个量子位的状态。因为第二个量子位–“memory qubit”–被选择为对外部电或磁干扰源更具弹性,否则将破坏量子相干性,这种传输可以使计算依赖于在处理其他数据时临时存储的信息。但是,第一个量子位–“processing qubit”–也发挥了作用。由于对干扰的抵御能力较弱,因此它也对故意的电磁刺激响应更快,因此被用于读取和写入数据。

多余的电子

在最新作品中, Andrea 莫雷洛 of the University of New South Wales and colleagues have exploited a natural two-qubit system by doping silicon with atoms of phosphorous. 硅 atoms contain four electrons in their outer shells. This means that each electron forms a covalent bond with a neighbouring atom and this gives silicon its crystal structure. Phosphorus, which is next to silicon in the periodic table, adds an extra positive charge to the lattice, so attracting an extra electron. This effectively creates a hydrogen atom in which the less magnetically sensitive nuclear spin forms the 内存量子位, while the electron spin acts as the 处理量子位.

硅’s的晶体特性意味着限制在其晶格中的电子具有非常窄的空间波函数-仅有几纳米宽。正如莫雷洛所指出的,这意味着必须在接近原子尺度的情况下操纵固态电路,他说,“在大学研究实验室里不是喝茶”. But silicon’较长的量子相干时间使其具有优于竞争技术的主要优势-易于制造硅器件。这是因为它的自旋自然对电噪声不敏感,并且可以通过富集硅使其对磁噪声非常不敏感,从而几乎完全不存在具有非零核自旋的唯一同位素29-硅。

在实验中,Morello及其同事将磷原子注入到100×100 nm中2 900纳米厚的富硅层区域。他们使用在硅芯片顶部制造的微波天线来设置磷电子自旋的初始状态。然后,使用来自同一天线的一系列射频脉冲将自旋状态传递到原子核和从原子核传递。为了读出电子自旋的值,他们用芯片上制造的铝电极创建了一个电子晶体管。如果电子逸出磷核,则晶体管导通,这仅在其处于(高能)旋转状态时发生。

很长的时间

研究人员发现,他们可以将磷电子的自旋态转移到原子核上,并保持在那里长达80毫秒–“莫雷洛说,“这是非常长的固态时间。”然后将其转移回电子并读出。不幸的是,他们发现电子’最终状态仅在大约80%的时间与初始状态匹配-保真度远远低于单独操作电子和核量子位时99%的可能。他们认为这是由于电子移动引起的’它们打开射频脉冲后的共振频率,并说它们现在将消除这种偏移。

莫雷洛’s组不是第一个在硅中展示量子存储的人。早在2008年, 约翰·莫顿 然后在牛津大学(Oxford University)和同事通过共同操纵一大块硅晶体中数十亿个磷原子的自旋态来实现。但是莫顿说,最新的工作很重要,因为在大规模量子计算机中,信息必须被编码成单独的量子比特。他指出,该实验最困难的部分是读取电子自旋态,该澳大利亚小组于2010年首次开发了其检测技术。

伦敦大学学院的莫顿承认这一点“仍然是一个悬而未决的问题”在物理学家中,关于这种记忆将有多大用处,因为人们怀疑电子将持续多长时间“idle”与处理相反,并且还需要非常高的保真度。一“very exciting”他说,未来的研究途径是使用与电子自旋耦合更弱的核自旋,例如天然存在的硅中硅29的自旋1/2核。受电子影响较小’如果在读出过程中将其去除,则它们可能比磷核更少地受到干扰。

该研究报告在 量子科学与技术.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者