新方法,新技术,“量子计算机”迈向消费第一步

筑波大学一个研究小组研究了一种利用超短激光脉冲在硅晶体内产生相干晶格波的新方法。通过理论计算和匹兹堡大学的实验结果,能够证明相干振动信号可以维持在样品内部。这项研究可能会促使基于现有硅设备的量子计算机出现,这些硅设备可以快速地执行目前最快的超级计算机都无法完成的任务。从家用个人电脑到商业服务器,计算机是我们日常生活的核心部分,计算机力量继续以惊人的速度增长。

然而,对于传统计算机来说,有两个大问题迫在眉睫。第一个是对我们可以在一个处理器中封装多少晶体管的基本限制。最后,如果要继续增加计算机的处理能力,就需要一种全新的办法。其次,即使是功能最强大的计算机也会在某些重要问题上遇到困难,比如在互联网上保护信用卡号码安全的密码算法,或者优化投递包裹的路线。这两个问题的解决方案可能都是量子计算机,它利用了控制非常小尺度的物理规则,比如原子和电子。

在量子体系中,电子的行为更像波,而不是台球,其位置是“模糊的”,而不是确定的。此外,各种组件可能会纠缠在一起,这样,如果不参考其他组件,就无法完整地描述每个组件的属性。一个有效的量子计算机必须保持这些纠缠态的相干性足够长才能进行计算。在新研究中,Tsukuba大学一个团队和匹兹堡大学物理学和天梅隆大学主席Hrvoje Petek使用非常短的激光脉冲,来激发硅晶体内的电子。第一作者渡边洋平(Yohei Watanabe)博士解释说:

利用现有的硅来进行量子计算,将使向量子计算机的过渡变得容易得多。高能电子产生了硅结构的相干振动,使电子和硅原子的运动纠缠在一起。然后利用第二激光脉冲对系统进行时延变化后的状态检测。根据理论模型,科学家们能够解释观察到电荷随延迟时间的变化。执行该实验的资深作者Muneaki Hase教授说:这个实验揭示了控制相干振动的潜在量子力学效应。从这个意义上说,这个项目代表着朝着消费者买得起的量子计算机迈出第一步。

研究了非掺杂硅晶体中相干声子产生时间信号的光谱特征,建立极化子准粒子模型计算了离子核诱导电荷密度随时间变化的延迟纵向光学声子格林函数(LO-)。在低声子模与等离子体模在早期几乎保持能量共振的情况下,发现信号频谱的不对称性;这种情况在超短泵浦激光脉冲照射后可立即持续约100秒。从时间绝热图可以看出,这种不对称性是由两种模态之间的罗森-齐纳耦合引起。

通过对随时间变化的电光反射率信号测量,得到了相应的实验结果,并与计算结果进行了比较,证明了计算结果的一致性。随着光激发载流子密度由满足上述条件进一步向载流子密度的高、低方向变化,光谱变得更加对称。此外,还研究载流子密度光学章动对相干声子信号的影响,并与瞬态Fano共振引起的不对称性以及GaAs晶体中观察到的谱线进行了比较,这些研究发现和成功都将为未来的量子计算机奠定一定基础。