围栏|囚禁于纳米围栏中的量子( 十 ) 纳米|囚禁|量子|cu|fe

6.量子逻辑门
最后，我们展示量子围栏的一类可能的应用，或者说展示一个基于量子围栏的量子信息原型器件。设计并制造这样的器件，使之能够工作和实用，才是我们物理人对消费纳税人劳动的回报。
纳米围栏中的量子尺寸效应并非只是阳春白雪，可以用来构造原子层次的逻辑门器件。这一器件正是基于上一节的“近藤系统”延伸出来。Manoharan等人在2000年左右观测到诱人的近藤共振量子海市蜃楼现象，展示了纳米尺度下信息传输的可能性。然而，基于近藤效应的量子海市蜃楼只存在于费米能附近。最近，实验观测到，不依赖于近藤效应也可以构造出量子海市蜃楼，且这一效应有相对较高的信息传输效率、能在一个较宽能量范围内进行操控。利用这些优点，原子尺度下的逻辑门就成为可能，诸如“非门”、“扇出门”与“或门”即可构建出来。详细内容可见文献[Nature Commun. 11, 1400 (2020)]。
这里的设计思路如下：
(1)椭圆型围栏的焦点作为信息输入和输出端，其中输入“1” / “0”对应于椭圆纳米围栏的一个焦点处原子“有”/“无”，而输出“1” / “0”则通过另外一个焦点处诱发的量子蜃楼之扫描隧道谱强度高/低值来表现。
(2)“非门”是一个两端结构，正好对应着椭圆纳米围栏中的反转量子海市蜃楼。
(3)要实现“扇出门”和“或门”，需要构造一个三端结构。这种三端结构也许有很多方案来构建，但最简单的方案是通过组合两个椭圆围栏来实现，这两个椭圆共用一个焦点，从而构成一个哑铃型的围栏。图9(a)所示即为这一概念下的“扇出门”，其中两个椭圆围栏的共同焦点A处原子“无”/“有”分别对应着输入“0”和“1”，如图9(a)显示A处“无”，如图9(c)显示A处“有”。而输出的分别是焦点B和C处的扫描隧道谱数值大小，如图9(b)和9(d)所示。当A处没有原子时(输入为“0”)，输出B和C处的扫描隧道谱值很低(输出为“0”)；当A处有原子时(输入为“1”)，输出B和C处的扫描隧道谱值很高(输出为“1”)。这样，输出与输入满足“扇出门”函数关系。
(4)把输入和输出的位置交换时，即能得到“或门”。
需要指出，作为一个器件原型，这里展示的开关信号逻辑阈值大约是1.5，比真实器件的值要小很多。但是，这一比值可通过以下几种方法来提高：这里的实验包含了体态贡献的常数背景，它严重地降低了开关信号比。如果在一个体态很低甚至没有体态贡献的体系中进行实验，有望得到更高的开关信号比。此外，传递函数的幅值依赖于表面态态密度与杂化能；当这两项的强度增加时，也能够得到一个更高的开关信号比。