测量和控制电子态的技术是量子计算的一个突破

在他们研究量子计算新论文的过程中,加州大学洛杉矶分校物理学教授HongWen Jiang和他实验室研究生Joshua Schoenfield遇到了一个反复出现的问题:他们对他们的进步感到非常兴奋。从家里登录到他们的UCLA桌面 - 一次只允许一个用户 - 两位科学家反复互相撞击远程连接。

他们热情的原因:江和他的团队创造了一种测量和控制硅量子点中电子谷状态能量差异的方法,这是量子计算研究的关键组成部分。该技术可以使量子计算更接近现实。

“这太令人兴奋了,”加州纳米系统研究所的成员姜说。“我们不想等到第二天才能找到结果。”

量子计算可以使更复杂的信息在更小的计算机芯片上进行编码,并且它比现在的计算机允许更快,更安全地解决问题和通信。

在标准计算机中,基本组件是称为位的开关,它使用0和1来表示它们已关闭或打开。另一方面,量子计算机的构建块是量子比特或量子比特。

加州大学洛杉矶分校的研究人员的突破是能够测量和控制硅量子点的特定状态,称为谷状态,是量子比特的基本属性。该研究发表在Nature Communications上。

“单个量子比特可以同时存在于状态0和状态1的复杂波状混合物中,”该论文的第一作者舍恩菲尔德说。“为解决问题,量子比特必须互相干扰,就像池塘里的涟漪一样。因此,控制波浪般性质的各个方面至关重要。“

硅量子点是硅的小的电气限制区域,只有几十纳米宽,可以捕获电子。江的实验室和世界各地的研究人员正在研究它们在量子计算中的可能用途,因为它们使科学家能够控制电子的自旋和电荷。

除了电子的自旋和电荷之外,它们最重要的另一个特性是它们的“谷状态”,它指明了电子在硅晶体结构的非平坦能量环境中的位置。谷状态代表电子动量的位置,而不是实际的物理位置。

科学家们最近才意识到控制谷状态对于编码和分析硅基量子比特是至关重要的,因为即使是硅晶体中最微小的缺陷也会以不可预测的方式改变谷能量。

“想象一下,站在山顶俯视你的左右两边,注意到两边的山谷看起来是一样的,但知道一个山谷只比另一个山谷深1厘米,”加州大学洛杉矶分校的布莱克弗里曼说。研究生和研究的共同作者。“在量子物理学中,即使是那么小的差异对我们控制电子的自旋和电荷状态的能力也非常重要。”

在正常温度下,电子会反弹,使它们很难在山谷中的最低能量点停留。因此,为了测量两个谷状态之间的微小能量差异,加州大学洛杉矶分校的研究人员将硅量子点置于冷却室内,温度接近绝对零度,这使得电子能够稳定下来。通过射击电压的快速电脉冲,科学家们能够将单个电子移入和移出山谷。通过观察电子在谷状态之间快速切换的速度来确定谷之间能量的微小差异。

在操纵电子之后,研究人员运行了一个非常接近电子的纳米线传感器。测量导线的电阻使它们能够测量电子和导线之间的距离,从而使它们能够确定电子占据的是哪个谷。

该技术还首次使科学家能够测量两个山谷之间极小的能量差异 - 这是使用任何其他现有方法所不可能实现的。

在未来,研究人员希望使用更复杂的电压脉冲和器件设计来实现对多个相互作用的基于谷的量子比特的完全控制。

“我们的梦想是拥有数百或数千个量子比特的阵列,共同解决一个难题,”Schoenfield说。“这项工作是实现梦想的重要一步。”

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