光可使半导体计算机速度提高100万倍甚至达到量子位

一种利用光处理电子的技术可以使量子计算达到室温。德国和密歇根大学的一组研究人员已经演示了红外激光脉冲是如何在两种不同的状态，即经典的1和0，在一薄片半导体中移动电子。密歇根大学电子工程和计算机科学教授Mackillo Kira说：普通电子产品在千兆赫的范围内，每秒十亿次，这个方法的速度要快一百万倍。他领导了这项研究的理论部分，发表在《自然》杂志上，与德国马尔堡大学的物理学家合作，这项实验是在德国雷根斯堡大学进行。

一个显示“向上”和“向下”伪自旋状态的插图，一个光脉冲和由电子能量景观。图片：Stefan Schlauderer, University of Regensburg

量子计算可以解决在传统计算机上花费太长时间的问题，比如人工智能、天气预报和药物设计等领域。量子计算机从它们的量子力学比特或量子位元中获取能量，它们不只是1或0，但它们可以是这些状态的混合，也称为叠加。在经典计算机中，每个位配置必须一个一个地存储和处理，而一组量子位可以在理想的情况下存储和处理所有的配置。这意味着，当想要看一堆可能的解决方案，找到最合适的解决方案时，量子计算可以让更快地到达那里。但是量子位很难产生，因为量子态非常脆弱。

英特尔(Intel)、IBM、微软(Microsoft)和D-Wave (D-Wave)等公司所采用的主要商业路线，使用超导电路，将其冷却到极冷的温度(-321或更少)，在这一过程中，电子停止相互碰撞，通过一种称为“相干”的现象，形成共享的量子态。这项新研究没有找到一种长期坚持量子状态的方法，而是展示了一种方法，在各州分崩离析之前进行处理。雷根斯堡大学的物理学教授鲁伯特·胡贝尔(Rupert Huber)说：从长远来看，我们看到了一个现实的机会，即引入量子信息设备，它的运行速度要比光波的单一振荡快，这种材料相对容易制造，它在室温空气中工作，而且在几个原子的厚度，它是最大的紧凑。

这种材料是一层钨和硒的蜂窝状晶格。这种结构产生一对电子态，称为伪自旋。它不是电子的自旋(即使是这样，物理学家们也警告说电子并不是在旋转)，但它是一种角动量。这两个伪自旋可以对1和0进行编码。Huber的团队用快速的红外光脉冲刺激电子进入这些状态，只持续了几飞秒(一秒钟的四分之一秒)。初始脉冲有它自己的自旋，即圆偏振，它将电子发送到一个伪自旋状态。然后，没有自旋的光脉冲(线性极化)可以将电子从一个伪自旋推到另一个，然后再返回。通过将这些状态视为普通的1和0，就有可能创造出一种新的“光波”计算机，它的时钟速度比Kira所提到的更快。沿着这条路线的第一个挑战将是使用一列激光脉冲来“翻转”伪自旋。

艺术绘制的圆偏振光脉冲照射到二维半导体上，使电子进入伪自旋状态，可以存储信息作为一种新的、更快的计算技术的一部分。图片：Stephen Alvey, Michigan Engineering

但是电子也可以在两个伪自旋之间形成叠加态。有了一系列的脉冲，就有可能进行计算，直到电子脱离它们的相干态。研究小组表示，他们可以快速地翻转一个量子比特来执行一系列操作——基本上，它足够快，可以在量子处理器中工作。此外，电子不断地发出光，这使得在不干扰其脆弱的量子态的情况下，容易读到量子比特。顺时针圆偏振表示一个伪自旋状态，逆时针方向另一个。量子计算的下一步将是让两个量子位同时运行，接近于彼此之间的相互作用。例如，这可能包括堆叠半导体薄片或使用纳米结构技术将量子位隔离在一个单片内。

博科园-科学科普｜参考期刊：Nature｜来自：密歇根大学