對(duì)二維（2D）二硫化鎢(WS2)的新研究可能為量子計(jì)算的進(jìn)步打開了大門。在發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊上研究論文中，科學(xué)家們報(bào)告了可以通過(guò)對(duì)量子數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式來(lái)操縱這種超薄材料的電子屬性。

這項(xiàng)研究涉及二硫化鎢的能谷，布法羅大學(xué)物理學(xué)家之一、論文的主要作者曾浩(音譯)將其描述為“晶體固體中電子結(jié)構(gòu)的局部能量極值”。能谷與電子在材料中所具有的特定能量相對(duì)應(yīng)，電子在一個(gè)能谷與另一個(gè)能谷的存在可以用來(lái)對(duì)信息進(jìn)行編碼。

一個(gè)能谷中的電子可以表示二進(jìn)制碼中的1，而另一個(gè)谷中的電子可以表示0?？刂齐娮涌赡茉谀睦镎业降哪芰梢詭?lái)量子計(jì)算的進(jìn)步，使量子比特(量子信息的基本單位)的創(chuàng)建成為可能。量子位具有一種神秘的性質(zhì)，它不僅能夠以1或0的狀態(tài)存在，而且能夠存在于與這兩種狀態(tài)相關(guān)的“疊加”中。新研究標(biāo)志著朝著這些未來(lái)技術(shù)邁出了一步，展示了一種在能谷中操縱能谷的新方法。曾浩博士，UB藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)教授，與UB杰出物理學(xué)教授Athos Petrou博士和內(nèi)布拉斯加大學(xué)奧馬哈大學(xué)物理學(xué)主任Renat Sabirianov博士共同領(lǐng)導(dǎo)了該項(xiàng)目。

移動(dòng)二硫化鎢的能谷

其他合著者包括UB物理研究生Tenzin Norden，趙川(音譯)和張佩瑤(音譯)，這項(xiàng)研究是由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的。二維二硫化鎢是三個(gè)原子厚度的單層材料。在此配置中，二硫化鎢具有兩個(gè)能谷，兩者具有相同的能量。過(guò)去的研究表明，施加磁場(chǎng)可以將能谷的能量向相反方向轉(zhuǎn)移，降低一個(gè)能谷的能量，使其“更深”，對(duì)電子更具吸引力，同時(shí)提高另一個(gè)能谷的能量，使其“更淺”。如果在二硫化鎢下面放置一層薄薄的磁性硫化銪，那么兩個(gè)山谷的能量轉(zhuǎn)移可以擴(kuò)大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

然后，當(dāng)施加1特斯拉的磁場(chǎng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)能谷能量的巨大轉(zhuǎn)移，相當(dāng)于如果不存在硫化銪，可能希望通過(guò)施加大約100特斯拉的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的效果。效果的大小非常大，就像使用磁場(chǎng)放大器一樣。研究人員表示這太令人驚訝了，不得不多次檢查，以確保沒(méi)有犯錯(cuò)誤。最終結(jié)果呢？操縱和檢測(cè)能谷中電子的能力得到了極大的增強(qiáng)，這些特性可以促進(jìn)量子計(jì)算中量子比特的控制。與其他形式的量子計(jì)算一樣，基于能谷的量子計(jì)算將依賴于亞原子粒子的奇特性質(zhì)（在這種情況下是電子）來(lái)執(zhí)行強(qiáng)大的計(jì)算。

作為量子計(jì)算量子比特的能谷態(tài)

電子的行為方式可能看起來(lái)很奇怪，例如，電子可以一次出現(xiàn)在多個(gè)地方。因此，在使用能谷中的電子作為量子位系統(tǒng)中1和0并不是唯一可能的狀態(tài)。一個(gè)量子比特也可以是這些狀態(tài)的任何疊加，能量子計(jì)算機(jī)同時(shí)探索許多可能性。這就是為什么量子計(jì)算對(duì)于某些特殊任務(wù)如此強(qiáng)大，由于量子計(jì)算的概率和隨機(jī)性，它特別適合于人工智能、密碼學(xué)、金融建模和量子力學(xué)模擬等應(yīng)用，以設(shè)計(jì)出更好的材料。然而，需要克服許多障礙，如果可擴(kuò)展的通用量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，可能需要很多年的時(shí)間。這項(xiàng)新研究建立在曾和彼得魯之前的研究基礎(chǔ)上。

他們使用硫化銪和磁場(chǎng)來(lái)改變另一種二維材料：二硒化鎢(WSe2)中兩個(gè)能谷的能量。雖然WS2和WSe2相似，但它們對(duì)“能谷分裂”的反應(yīng)不同。在WS2中，變得“更深”的山谷類似于WSe2中變得“更淺”的能谷，反之亦然，創(chuàng)造了探索這種區(qū)別如何在技術(shù)應(yīng)用中提供靈活性的機(jī)會(huì)。兩種材料共有的一個(gè)特征可能有利于量子計(jì)算：在WS2和WSe2中，填充兩個(gè)能谷的電子具有相反的自旋，這是角動(dòng)量的一種形式。雖然這一特性對(duì)于創(chuàng)建量子位并不是必需的，但它“提供了一定的量子態(tài)保護(hù)，使它們更加穩(wěn)定。

博科園｜文：Charlotte Hsu/phys

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11966-4

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