研究发现:单个电子可如“乒乓球”般在量子点间往返

2011-9-23 11:03 来源: 中国科学院
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  未来的单电子电路由量子点网络构成,这需要一种机制,能够将电子从电路的一个功能部分传输至另一个部分。据美国物理学家组织网9月21日报道,英国剑桥大学的研究人员找到了一种新方法,可使单个电子在两点间往返运动,如同打电子“乒乓球”一般。这一进展或可为量子信息的传输提供重要的技术支持,可能成为研发量子计算机的重要一步。相关研究报告将发布在9月22日出版的《自然》杂志上。

  以参加派对为例,当你想要穿过拥挤的人群走到房间的另一端去和某个朋友说话时,你需要不停避开面前的人群,或是停下来,与几个朋友寒暄一番,待走到目的地时,怕是早已忘记了自己想说什么。如果有一条通道,可以让你越过喧闹的人群,直接到达目的地,岂不美哉?

  与上述情况类似,电线传导电流时单个电子在其中并不是直线往前移动,从一端直达另一端,而是在一大群电子中挤来碰去,沿着复杂蜿蜒的路径行进。这在电子运送信息时就成了问题,可能出现量子态缺失连贯性的情况,导致其携带的量子信息丢失。

  为了解决这一难题,剑桥大学卡文迪什实验室的研究人员在砷化镓材料中构建了两个量子点,并在两点之间建立起一个高能通道。电子在其间运动,就相当于越过了其他电子,从而实现了单个电子在两个量子点之间的快速传输。此外,传输的方向还可以反转,相当于像打乒乓球一样将这个电子“拍”回来。研究数据表明,可使同一个电子前后往复移动60余次而不出现差错,无失误移动的累积距离可达0.25毫米。这样,局限于量子点之间的通讯就可扩展到分散的量子信息处理部件和设备的集成,例如在量子计算机的处理器和存储器之间建立通讯线路,进行量子比特的传送等。

  研究主导人员克里斯·福特说,此项成果增加了量子计算机发展的技术可能性。虽然有关量子计算机的研究多如牛毛,但此前有关连接计算机内不同部件的成就却少之又少。尽管新研究尚未显示电子是否可以记住自己的量子态,但这种设想十分有可能。同时,以此种方式运动的单个电子会较少受到干扰,有利于保持其所携带的量子信息,在量子计算机的设计中,可以用这种方式来构建处理器和存储器等部件之间的通信线路。而通过分离对于量子比特的操控和测量,并提供在电路内各部分传送电子的途径,能有效降低量子计算机的不连贯性和电路的复杂性。