【產(chǎn)通社，8月3日訊】迄今為止，用于量子計(jì)算機(jī)的一些最有前途的材料和系統(tǒng)包括冷卻到接近絕對(duì)零度的超導(dǎo)材料，以及電場(chǎng)和激光阱中的漂浮離子和原子。如果有一種方法能像傳統(tǒng)的晶體管和邏輯門(mén)一樣，更容易地構(gòu)建量可靠的量子位(qubits)和量子電路，那么現(xiàn)有硅的價(jià)值無(wú)疑會(huì)更加可擴(kuò)展和方便。

目前，一種稱為Q-silicon的新型硅可能就是入場(chǎng)券。北卡羅來(lái)納州立大學(xué)（NCSU）的研究人員在《材料研究快報(bào)》雜志上報(bào)告了一種材料，不僅適合量子計(jì)算，也適合鋰離子電池。


Q-silicon的特點(diǎn)


硅通常有三種形式：晶體，其中原子具有有序結(jié)構(gòu)；無(wú)定形的，原子隨機(jī)分布；和多晶，其中較小的晶體單元隨機(jī)連接。在晶體中，硅原子就像鉆石中的碳原子一樣排列緊密，四個(gè)原子組成了金字塔的四個(gè)角。

Q-silicon具有那些類(lèi)金剛石金字塔的隨機(jī)排列，導(dǎo)致更密集的原子和更少的自由空間。NCSU大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Jay Narayan和他的同事們用納秒級(jí)的高功率激光脈沖轟擊非晶硅，然后在五分之一微秒內(nèi)冷卻，從而制造出Q-silicon。

Q-silicon足夠快，以至于傳統(tǒng)熱力學(xué)無(wú)法將原子重新排列成硅的三種自然存在形式之一�！耙夼匀唬仨毧朔䶮崃W(xué)約束，所以你必須非常非�？斓刈龅竭@一點(diǎn)，”Narayan說(shuō)。


Q-silicon如何用于量子位或電池？


研究顯示，Q-silicon揭示了普通硅所沒(méi)有的特性。

首先，它在室溫下是鐵磁性的。鐵磁性，即當(dāng)材料被置于外部磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)被磁化并保持磁化狀態(tài)的性質(zhì)。鐵磁性通常存在于鐵和鎳等金屬中，源于固體中原子的整體性質(zhì)。它們的磁偶極子可以在外部磁場(chǎng)的作用下排列，一旦磁場(chǎng)消失，它們就會(huì)保持原來(lái)的位置。但是，如果這些材料中的單個(gè)電子可以被隔離，這些電子的自旋——它們本身可以是向上或向下的，或者是兩者的中間量子組合——也可以被用作量子比特，作為編碼量子信息的一種方式。

碳和硅中的偶數(shù)電子通常意味著它們的電荷都以相反的自旋成對(duì)存在，這抵消了彼此的磁場(chǎng)。因此，工程師和材料科學(xué)家通常不會(huì)選擇保留和操縱硅中的單個(gè)電子自旋。Narayan說(shuō)，鐵磁性需要單個(gè)電子或不成對(duì)自旋。然而，“隨著快速熔化和冷卻，我們能夠創(chuàng)造出具有鐵磁性的不成對(duì)自旋，”他說(shuō)�！斑@個(gè)想法是，如果硅可以有不成對(duì)的自旋，那么你就可以在那個(gè)自旋中存儲(chǔ)信息�！�

利用自旋具有挑戰(zhàn)性，人們已經(jīng)嘗試讀取植入硅中的磷原子的自旋狀態(tài)，作為通往量子計(jì)算機(jī)的道路。Narayan說(shuō)，Q-silicon可以更容易地利用硅原子中的自旋�！澳悻F(xiàn)在可以創(chuàng)造量子計(jì)算機(jī)和各種其他有趣的應(yīng)用，因?yàn)镼-silicon在室溫下是鐵磁性的�！�

此外，當(dāng)摻入硼原子時(shí)，研究人員報(bào)告說(shuō)Q-silicon變成超導(dǎo)體。已知的超導(dǎo)體通常只在非常低的溫度下顯示它們的超導(dǎo)能力，因此任何室溫超導(dǎo)體的報(bào)告都面臨懷疑。

迄今為止，在環(huán)境壓力下，溫度最高的超導(dǎo)體會(huì)在130開(kāi)爾文以下變成超導(dǎo)。Narayan和他的同事說(shuō)，摻硼的Q-silicon在174 K轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)。

Narayan說(shuō)，研究人員計(jì)劃在不久的將來(lái)展示基于Q-silicon的量子計(jì)算機(jī)。但是他們也希望開(kāi)發(fā)這種材料在電池應(yīng)用方面的潛力�！拔覀儗�(chuàng)造高功率和高效率的鋰離子和鈉離子電池，”他說(shuō)。

為了將Q-silicon用于電池，Narayan表示，他們將把Q-silicon與他們?cè)?015年發(fā)現(xiàn)的另一種相關(guān)材料Q-carbon結(jié)合起來(lái)。研究人員說(shuō)，這兩種材料比今天電池中使用的石墨陽(yáng)極吸收更多的鋰離子，目前石墨的電流儲(chǔ)存能力只有每克200mA。相比之下，Q-carbon的容量為500mA/g，Q-silicon的容量為1000mA/g�！叭绻麑⑺鼈兘Y(jié)合在一起，就成為鋰離子電池的最佳陽(yáng)極�！�

目前，研究人員已經(jīng)與德國(guó)公司Koening Systems合作成立了一家名為Q-Power Batteries的初創(chuàng)公司。查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)官方網(wǎng)站http://spectrum.ieee.org/silicon-quantum-computing。（Robin Zhang，張底剪報(bào)）