一种用光操纵电子的技术，可在室温下实现量子计算图注：“上”、“下”赝自旋态

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图注：“上”、“下”赝自旋态，光脉冲和电子所经历的“山形”能量图景。

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一支由德国和密歇根大学的科学家组成的研究团队近日展示了红外激光脉冲如何在半导体薄片上使电子在不同状态下实现了转换（类似计算机科学中经典的0和1）。密歇根大学电子工程与计算机科学教授Mackillo Kira说：“普通计算机的运算级别在千兆赫兹范围内。利用红外激光脉冲的方法，可使其速度提高百万倍。”Kira与马尔堡大学的物理学家合作，领导了这项研究的理论部分（载于《自然》）。实验部分则在德国雷根斯堡大学完成。

量子计算可以用于在传统计算机上耗时过长的高精尖领域，如人工智能、天气预报和新药设计等。量子计算经由量子比特实现，它不再只是0和1，而是它们的叠加。

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图注：圆偏振光脉冲发射到二维半导体上，使电子进入赝自旋态，从而储存更多信息（艺术处理图）。这或许是一种新型的、更高速的计算技术的一部分。

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然而，由于量子态非常脆弱，量子比特很难产生。Intel、微软和IBM等公司追求的主要商业化路线是使用超导回路（≤-321 F°）。实验部分领导者、雷根斯堡大学物理学教授Rupert Huber说：“从长远看，我们发现了一个更现实的机遇，即引入运行速度比单振动光波更快的量子信息设备。这种材料相对更容易制造，它可以在室温、空气中工作，并且仅有数个原子厚。”这种材料为包含单层钨和硒的蜂窝状晶格。这种结构可以产生处于赝自旋态的电子对。这并非真的自旋，而是某种角动量，可以用于编码0和1。Huber团队利用快速红外光脉冲使电子进入赝自旋态（只持续了几飞秒）。初始脉冲有其自身的自旋（圆偏振），它将电子转化为赝自旋。接着，无自旋的光脉冲（线性极化）可以推动电子在两种赝自旋态间转换。将这种状态切换编码为0和1，或许就能制造一种新的“光波”计算机。这条设计路线面临的第一个挑战将是，使用一列激光脉冲任意“翻转”赝自旋。电子也能在两种赝自旋态间形成叠加态。在一系列脉冲的作用下，就可能进行计算，直到电子脱离相干态。研究人员表示，他们已经能够快速翻转一个量子比特以执行一系列操作。此外，电子持续发出光，可使其在不影响脆弱的量子态的情况下，更容易地读取量子比特。顺时针圆偏振表示一种赝自旋态，逆时针圆偏振则代表另一种。

量子计算的下一步将是让两个量子比特同时运行——接近于彼此之间的相互作用。这可能涉及例如堆叠薄片和使用纳米技术在单片内隔离量子比特的操作。

编译：雷鑫宇审稿：三水编辑：张梦

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来源：https://phys.org/news/2018-05-semiconductor-million-faster-quantum.html

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