德國康斯坦茨大學(xué)與美國普林斯頓大學(xué)及馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家合作，開發(fā)出了一種基于硅雙量子位系統(tǒng)的穩(wěn)定的量子門。量子門作為量子計(jì)算機(jī)的基本元素，能夠執(zhí)行量子計(jì)算機(jī)所有必要的基本操作。這項(xiàng)研究成果被稱為通向量子計(jì)算機(jī)的里程碑，已于近日發(fā)表在《科學(xué)》雜志在線版。
量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對外部干擾要敏感得多，因此，創(chuàng)造穩(wěn)定的量子門，即量子計(jì)算機(jī)的基本切換系統(tǒng)，成為科學(xué)家的主要目標(biāo)。此次，德美聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用單個(gè)硅電子的電子自旋作為量子位（即基本的信息存儲(chǔ)單元），他們創(chuàng)造的穩(wěn)定的量子門，可以精確控制和讀取兩個(gè)量子位的相互作用。
該研究的第一個(gè)成就是從硅片的數(shù)十億個(gè)原子中提取單個(gè)電子。負(fù)責(zé)項(xiàng)目協(xié)調(diào)的康斯坦茨大學(xué)物理學(xué)教授格依多·伯克哈德介紹說：“這是由我們普林斯頓同事完成的極了不起的成果。”研究人員利用電磁吸引力和斥力的組合，將單個(gè)電子分離出來，然后精確地排列，讓每個(gè)電子嵌入一個(gè)“槽”中，使其處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。
接下來的挑戰(zhàn)是開發(fā)一個(gè)可以控制每個(gè)電子自旋脈沖的系統(tǒng)。他們采用的方法是：每個(gè)電子都置于一個(gè)納米電極上，通過所謂的磁場梯度，創(chuàng)建一個(gè)定位磁場，用其控制電子的旋轉(zhuǎn)脈沖，由此創(chuàng)造了穩(wěn)定的一個(gè)量子位系統(tǒng)，以電子自旋形式存儲(chǔ)和讀出信息。
但僅有一個(gè)量子位還不足以構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)的基本切換系統(tǒng)，必須要有兩個(gè)量子位。這項(xiàng)研究的決定性一步是康斯坦茨大學(xué)研究人員將兩個(gè)電子的狀態(tài)耦合在一起，形成雙量子位系統(tǒng)。通過這種結(jié)合，可以構(gòu)建基本的切換系統(tǒng)，利用它可以執(zhí)行量子計(jì)算機(jī)的所有基本操作，例如，可以對系統(tǒng)進(jìn)行編程，使得電子只有當(dāng)其相鄰電子在預(yù)定方向上具有自旋時(shí)才旋轉(zhuǎn)。下一步，康斯坦茨大學(xué)的科學(xué)家還將建立一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)來控制兩個(gè)單電子的旋轉(zhuǎn)。
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