超硬材料網(wǎng)

       美國兩個獨立的物理學(xué)家團隊解決了制造實用量子計算機的重大挑戰(zhàn)。一個研究小組發(fā)明了一種讀取超導(dǎo)量子比特(量子位)的新方法，而另一個研究小組則提出了一種新的方法來獲得金剛石中的自旋量子比特以便相互作用。

       任何可行的量子計算機都需要孤立的量子態(tài)，它可以在相對較長的時間內(nèi)存儲信息量子比特。這些量子位必須能夠在適當(dāng)?shù)臅r間相互作用，以便能夠處理信息并讀出結(jié)果。正是這些經(jīng)常相互沖突的要求使得制造一臺實用的量子計算機變得非常困難。

       在《科學(xué)》雜志的第二篇論文中，哈佛大學(xué)的Mikhail Lukin及其同事使用金剛石中的兩個硅空位中心作為兩個量子比特。當(dāng)金剛石晶格中的兩個相鄰碳原子被一個硅原子取代時，硅空位中心就產(chǎn)生了。硅的自旋產(chǎn)生了良好的量子位，因為它與電噪聲隔離，但在某些頻率下與光相互作用。

       挑戰(zhàn)在于讓兩個硅空位中心彼此交互。該團隊將兩個硅空位中心放置在一個光腔中，這極大地增加了它們相互作用的可能性：“兩個硅空位中心在黑暗的房間里有點像兩個人試圖用昏暗的手電筒向?qū)Ψ桨l(fā)送莫爾斯碼信號，”哈佛大學(xué)Ruffin Evans解釋道。“如果你通過在每個墻壁上背靠背放置鏡子來形成一個空腔，那么光線就會來回反射，讓人們有更多的機會看到信號。”當(dāng)調(diào)諧到相同頻率的共振時，兩個硅空位中心通過相互作用混合形成超輻射“亮”狀態(tài)和非輻射“暗”狀態(tài)。

       創(chuàng)建兩個相互作用的量子位并不是什么新鮮事。其他研究人員已經(jīng)更進一步，使用不同的量子比特技術(shù)創(chuàng)建了工作的量子邏輯門。Evans解釋說:“我們工作的創(chuàng)新之處在于，即使光和物質(zhì)之間的相互作用通常非常微弱，我們?nèi)匀荒軌蚶霉庠谶@兩個硅空位中心之間創(chuàng)造一種相互作用。下一步是利用這種相互作用來創(chuàng)建一個真正的量子門。這樣一個設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)該自然地有助于創(chuàng)建一個“量子互聯(lián)網(wǎng)”，使用基于光子的量子位元通過光纖進行長距離傳輸。

       加拿大卡爾加里大學(xué)的巴里·桑德斯告訴《物理世界》雜志，他認(rèn)為，如果可以提高測量保真度，那么McDermott小組的工作可能直接應(yīng)用于量子計算。他說:“超導(dǎo)電路通常被認(rèn)為是實現(xiàn)可伸縮量子計算最有希望的方向，但一個很大的缺點一直是缺乏單光子檢測。”“這是一個很棒的計劃，在我看來是可行的。”

       金剛石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、高絕緣、寬能隙、高的聲傳播速率以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等，如下表。雖然天然金剛石具有這些獨一無二的特性，但是它們一直僅僅是以寶石的形式存在，其性質(zhì)的多變性和稀有性極大地限制了其應(yīng)用。而洛陽譽芯金剛石制備的CVD金剛石膜將這些優(yōu)異的物理化學(xué)性能集一身，且成本較天然金剛石低，能夠制備各種幾何形狀，在電子、光學(xué)、機械等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。