美國萊斯大學科學家近日研制出一種微型的“電子高速公路”--“量子自旋霍爾拓撲絕緣體”。研究人員表示，這種微型設備將來可用于制造量子計算機所需的量子比特，這一研究成果將大大促進量子計算機的研究進展。

美國萊斯大學物理學家杜瑞瑞和伊萬-克尼茲近日在《物理評論快報》雜志上發(fā)表文章，詳細介紹了制造這種微型設備的最新方法。這種微型設備正式名稱為“量子自旋霍爾拓撲絕緣體”，可以用作“電子高速公路”，是量子計算機中產(chǎn)生量子粒子用來存儲和處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵構(gòu)件之一。

傳統(tǒng)的計算機采用“0”或“1”二進制數(shù)據(jù)，而量子計算機采用的則是量子比特，它可以同時代表“0”和“1”。這就是量子力學奇怪的現(xiàn)象之一。杜瑞瑞教授介紹說，這一特性讓量子計算機擁有超強的計算能力。采用量子計算機，一些復雜的計算任務，如密碼破譯、氣候模擬和生物醫(yī)學模擬等，計算速度可比傳統(tǒng)計算機快數(shù)千倍。

杜瑞瑞教授表示：“原則上，我們根本不需要太多的量子比特來制造強大的計算機。根據(jù)信息的密度，一個擁有10億個晶體管的硅微處理器的計算能力大概相當于一個僅僅擁有30個量子比特的量子處理器。”

在量子計算機的研制競賽中，各國研究人員采用了許多種制造量子比特的方法。不管什么方法，一個普遍的問題就是如何確保將信息編碼為量子比特而又不會因為量子波動而隨時間變化。這就是一個容錯問題。

杜瑞瑞等人所采用的技術(shù)就是“拓撲量子計算”。這種拓撲方案有望比其他類型的量子計算機容錯能力更強，因為在一臺拓撲量子計算機中每個量子比特都是由一對量子粒子制成，它們實質(zhì)上擁有不可變的共享特性。需要特別指出的是，物理學家相信，這種粒子可以通過將像杜瑞瑞等人研制的“量子自旋霍爾拓撲絕緣體”與超導體結(jié)合研制而成。

拓撲絕緣體擁有一些奇怪的特性。盡管電流無法通過它們，但可以在它們狹窄的外邊緣周圍通過。克尼茲解釋說，如果一小塊拓撲絕緣體附于一塊超導體之上，這種設備或可能用于生產(chǎn)制造量子計算機的量子比特。克尼茲花了一年多時間來完善這種技術(shù)，用于生產(chǎn)萊斯拓撲絕緣體。這種設備是利用商業(yè)半導體制成的。杜瑞瑞表示，這是首個利用物理學家已知的材料制成的兩維拓撲絕緣體。“我們正在向量子計算機邁出了重要一步。然而，只有實驗才能夠證明它們是否適合制造穩(wěn)定的量子比特。”