經過60年的發展，計算機已變得更小更快，價格也越來越便宜。但矽基電晶體的尺寸和運算速度已接近極限的邊緣，如何使傳統計算機突破上述極限，研究人員似乎已計窮智竭。
為了解決這一問題，科學家們開始尋求用基於光子的量子計算機取代傳統矽基計算機。量子計算機能更快執行各種複雜計算，研究生物系統，創建加密和大數據系統，解決許多涉及多種變量的難題。
但現有量子計算技術中，一些前沿性研究需要將材料冷卻到絕對零度(-273.15℃)左右，這阻礙了量子計算機從理論到實用的進程。美國史丹福大學電子工程系教授伊蓮娜·沃科維克帶領其團隊，近日分別在雜誌上發表了3篇論文，宣稱他們已經研製出能在室溫下操作的量子晶片材料，包括一種量子點、二種「色心」，使量子處理裝置向實際應用跨出一大步。
海底撈針：量子計算機不怕
作為量子計算機領域的前沿科學家，沃科維克表示：「當人們認為一件事不可能完成時，喜歡用『大海裡撈針』來形容，但量子計算可以做到。」量子計算機之所以擁有如此強大的能力，在於其依賴的雷射與電子間相互作用的複雜性，這是最關鍵的技術。
量子計算機的工作原理是將自旋電子封閉在一種新型半導體材料內，當用雷射照射它們時，雷射能與電子相互作用，使電子呈現不同的自旋狀態。傳統計算機基於數字0和1的二進位系統運行；而量子計算機則基於量子比特進行運算。這些量子比特是代表0和1的兩種狀態的疊加，可以是0和1之間的任何數值。沃科維克說：「在量子系統內，雷射撞擊電子能創建許多可能的自旋態。自旋態越多，能執行的量子計算就越複雜。」
近20年來，沃科維克實驗室一直專注於研發能在室溫環境下運行的量子晶片。最近，他們與其他實驗室合作，對三種材料進行了測試，結果其中一種材料完全能在室溫下運行，使量子計算機邁出了重要一步，不再只是「紙上談兵」。
全新量子點：精確控制光子輸入輸出
沃科維克團隊基於三種不同材料研製出三種基本功能單位，其作用類似於傳統矽基晶片中的電晶體。他們基於半導體晶體材料，通過調整晶體內的原子陣列，創建出能將單個自旋電子「禁閉」起來的結構單位。
第一種結構是量子點，有關論文發表在《自然·物理學》雜誌上。量子點是由半導體材料製成的、直徑不到20納米的球形或半球形結構，外觀呈極小的點狀，能將自旋電子封閉在納米球內。他們向砷化鎵晶體內摻雜少量砷化銦製成的量子點，能成功通過雷射—電子相互作用控制光子的輸入和輸出，而且，與之前發出單個光子不同，這次的光子能兩兩結伴而出。沃科維克表示，與那些需要低溫製冷的量子計算機平臺相比，他們的量子點更實用，雖然目前還不能用於創建通用量子計算機，但完全可用來創建防止篡改的安全通信網絡。
兩種「色心」：從低溫到室溫的突破
在另兩篇發表於《納米通信》雜誌的論文中，沃科維克團隊介紹了一種完全不同於量子點的方法：用「色心」技術捕獲電子。色心是指透明晶體中的點缺陷、點缺陷對或點缺陷群，這些缺陷能捕獲電子或空穴，吸收光子使晶體呈現不同顏色。
一篇論文描述的色心在鑽石中構建而成。天然鑽石的晶格由碳原子構成，但他們用矽原子取代鑽石中的部分碳原子，在鑽石晶格中創建出多個色心。這些鑽石色心能高效捕獲自旋電子，但仍需製冷到一定溫度。
沃科維克還與其他團隊合作，開發出第三種材料——高效修飾碳化矽色心。他們在另一篇論文中描述了對這種材料的測試結果。碳化矽是一種堅硬透明的晶體，常用來製造離合器板、剎車片和防彈背心。之前有研究報導，對碳化矽進行修飾後能製成在室溫下工作的色心，但效率不高，不能用來研製量子晶片。而沃科維克團隊通過敲除碳化矽中的部分矽原子，研製出了高效色心。然後，他們再在色心周圍加入納米線結構，大大改進了色心捕獲電子的能力。
沃科維克表示，他們研製的高效色心完全能在室溫下操作，是量子計算機研究領域的一大突破，為量子晶片的研製提供了可供實際操作的方法。但她同時表示：「這三種材料哪種最終會脫穎而出，我們還需繼續研究。」
(本報記者 聶翠蓉 綜合外電 科技日報北京5月21日電)