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这种二维材料中的“能谷”有可能促使量子计算机获得飞跃!

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本文参加百家号科学#了不起的前沿科技#系列征文对二维(2D)二硫化钨(WS2)的新研究可能为量子计算的进步打开了大门。在发表在《自然通讯》(Nature Communications)期刊上研究论文中,科学家们报告了可以通过对量子数据进行编码的方式来操纵这种超薄材料的电子属性。这项研究涉及二硫化钨的能谷,布法罗大学物理学家之一、论文的主要作者曾浩(音译)将其描述为“晶体固体中电子结构的局部能量极值”。能谷与电子在材料中所具有的特定能量相对应,电子在一个能谷与另一个能谷的存在可以用来对信息进行编码。

一个能谷中的电子可以表示二进制码中的1,而另一个谷中的电子可以表示0。控制电子可能在哪里找到的能力可以带来量子计算的进步,使量子比特(量子信息的基本单位)的创建成为可能。量子位具有一种神秘的性质,它不仅能够以1或0的状态存在,而且能够存在于与这两种状态相关的“叠加”中。新研究标志着朝着这些未来技术迈出了一步,展示了一种在能谷中操纵能谷的新方法。曾浩博士,UB艺术与科学学院的物理学教授,与UB杰出物理学教授Athos Petrou博士和内布拉斯加大学奥马哈大学物理学主任Renat Sabirianov博士共同领导了该项目。

移动二硫化钨的能谷

其他合著者包括UB物理研究生Tenzin Norden,赵川(音译)和张佩瑶(音译),这项研究是由国家科学基金会资助的。二维二硫化钨是三个原子厚度的单层材料。在此配置中,二硫化钨具有两个能谷,两者具有相同的能量。过去的研究表明,施加磁场可以将能谷的能量向相反方向转移,降低一个能谷的能量,使其“更深”,对电子更具吸引力,同时提高另一个能谷的能量,使其“更浅”。如果在二硫化钨下面放置一层薄薄的磁性硫化铕,那么两个山谷的能量转移可以扩大两个数量级。

然后,当施加1特斯拉的磁场时,能够实现能谷能量的巨大转移,相当于如果不存在硫化铕,可能希望通过施加大约100特斯拉的磁场来实现的效果。效果的大小非常大,就像使用磁场放大器一样。研究人员表示这太令人惊讶了,不得不多次检查,以确保没有犯错误。最终结果呢?操纵和检测能谷中电子的能力得到了极大地增强,这些特性可以促进量子计算中量子比特的控制。与其他形式的量子计算一样,基于能谷的量子计算将依赖于亚原子粒子的奇特性质(在这种情况下是电子)来执行强大的计算。

作为量子计算量子比特的能谷态

电子的行为方式可能看起来很奇怪,例如,电子可以一次出现在多个地方。因此,在使用能谷中的电子作为量子位系统中1和0并不是唯一可能的状态。一个量子比特也可以是这些状态的任何叠加,能量子计算机同时探索许多可能性。这就是为什么量子计算对于某些特殊任务如此强大,由于量子计算的概率和随机性,它特别适合于人工智能、密码学、金融建模和量子力学模拟等应用,以设计出更好的材料。然而,需要克服许多障碍,如果可扩展的通用量子计算成为现实,可能需要很多年的时间。这项新研究建立在曾和彼得鲁之前的研究基础上。

他们使用硫化铕和磁场来改变另一种二维材料:二硒化钨(WSe2)中两个能谷的能量。虽然WS2和WSe2相似,但它们对“能谷分裂”的反应不同。在WS2中,变得“更深”的山谷类似于WSe2中变得“更浅”的能谷,反之亦然,创造了探索这种区别如何在技术应用中提供灵活性的机会。两种材料共有的一个特征可能有利于量子计算:在WS2和WSe2中,填充两个能谷的电子具有相反的自旋,这是角动量的一种形式。虽然这一特性对于创建量子位并不是必需的,但它“提供了一定的量子态保护,使它们更加稳定。

博科园|文:Charlotte Hsu/phys参考期刊《自然通讯》DOI: 10.1038/s41467-019-11966-4博科园|科学、科技、科研、科普关注【博科园】看更多大美宇宙科学哦

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