用激光束制造的可擦寫芯片使量子計(jì)算機(jī)朝實(shí)用化又邁進(jìn)了一步。

量子計(jì)算機(jī)是我們長(zhǎng)期尋求的一種高性能計(jì)算機(jī)，它的計(jì)算速度比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)快很多倍。在一種用光束制造可擦寫的電腦芯片的技術(shù)幫助下，超高速的量子計(jì)算向?qū)嵱没诌~進(jìn)了一步。來(lái)自紐約城市大學(xué)(The City College of New York ，CCNY)和加州大學(xué)伯克利分校(UCB)的研究人員通過(guò)光束來(lái)控制原子核的自旋，實(shí)現(xiàn)了信息的編碼。這項(xiàng)技術(shù)可能為量子計(jì)算鋪平道路。這個(gè)小組在今年6月26日發(fā)表的《自然通信》(Nature Communications)上公布了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)支持。

現(xiàn)有的電子元件在處理速度上正在接近它們的上限。人們通過(guò)在半導(dǎo)體上蝕刻圖形來(lái)為這些電子元件生產(chǎn)芯片或者集成電路。這些相互連接的圖形充當(dāng)了在電路中傳遞信息的高速公路，但是傳統(tǒng)的電路有一個(gè)缺陷。“一旦芯片被印刷出來(lái)，它的功能就固定了。”UCB的化學(xué)和生物工程博士杰弗里·雷蒙(Jeffrey Reimer)博士解釋到，他也是這項(xiàng)研究的合作者。

這個(gè)團(tuán)隊(duì)包括CCNY的物理教授卡洛斯·梅里雷斯(Carlos Meriles )和UCB的博士研究生喬納森·金( Jonathan King)以及CCNY的李云普(Yunpu Li)。他們見(jiàn)證了在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算這兩個(gè)新興學(xué)科中針對(duì)傳統(tǒng)電路這些問(wèn)題而尋求到的補(bǔ)救措施。

他們開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)使用激光來(lái)讓原子內(nèi)部的“自旋”按模式對(duì)齊的技術(shù)，利用這項(xiàng)技術(shù)，他們可以飛速地改寫“自旋”的對(duì)齊模式。可能在未來(lái)的某一天，從這項(xiàng)技術(shù)會(huì)產(chǎn)生可擦寫的自旋電子電路。

數(shù)字電路和常規(guī)的計(jì)算程序依靠的是把電荷信息轉(zhuǎn)化成只含0和1的二進(jìn)制編碼。而在另一方面，一個(gè)“自旋電子”計(jì)算機(jī)應(yīng)用的是電子自旋的量子屬性，這讓電子能夠存儲(chǔ)0到1之間的任意數(shù)字。我們可以把電子想象成一個(gè)“陰陽(yáng)”圖，“陰陽(yáng)”圖的暗區(qū)和亮區(qū)的比例代表著0倒1的任意取值。這意味著我們將能夠進(jìn)行并行計(jì)算，它能夠擴(kuò)大我們的處理能力。

然而，由于電子的自旋狀態(tài)轉(zhuǎn)換得太快，人們?cè)趪L試?yán)秒娮舆M(jìn)行量子計(jì)算的道路上從來(lái)都是障礙重重。因?yàn)椋麄冇靡粋€(gè)極不穩(wěn)定的載體來(lái)運(yùn)載信息。為了抑制電子快速轉(zhuǎn)換的隨機(jī)性，UCB和CCNY的研究人員們用激光來(lái)產(chǎn)生長(zhǎng)效的核自旋“磁體”，這個(gè)“磁體”可以用來(lái)推，拉或者穩(wěn)定電子的自旋。

砷化鎵是在我們手機(jī)芯片中使用的一種半導(dǎo)體。研究人員用一種特定模式的光照射一份砷化鎵樣本，這和我們把物理圖形光刻到傳統(tǒng)的集成電路上很像。被照射的樣本使所有原子核的自旋對(duì)齊，從而它們的電子會(huì)立即形成一個(gè)自旋電子電路。

“你將擁有一個(gè)只用光束就可實(shí)現(xiàn)飛速擦除和重寫的芯片。”梅里雷斯教授說(shuō)到。改變光照模式就能迅速地改變電路的布局。

“如果你能夠用一束光重寫并且改變這個(gè)電路圖形，你就能夠制造不同的電路以適應(yīng)不同的需求。”他補(bǔ)充道。“設(shè)想一下，還有什么系統(tǒng)能滿足你各種各樣的需求!”