在傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子設(shè)備中,晶格缺陷是一種瑕疵,它們會(huì)把電子“陷落”固定在特殊晶格位上。但研究小組卻發(fā)現(xiàn),在碳化硅中,被晶格缺陷“陷落”的電子能以某種方式初始化它們的量子態(tài),通過一種光與微波輻射結(jié)合的方式,能對其進(jìn)行精確操控和測量。這意味著,每個(gè)晶格缺陷都符合量子比特的要求,作為一種量子力學(xué)模擬晶體管來使用。
“我們期待把這些不完美的瑕疵變得完美而實(shí)用,而不是讓晶體變得完美有序,把這些瑕疵作為未來量子技術(shù)的基礎(chǔ)。”論文作者、該校自旋電子及量子計(jì)算中心主管、物理學(xué)教授大衛(wèi)·奧斯卡洛姆介紹說,大部分材料的晶格缺陷都沒這種屬性,這和材料的原子結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體的電子特征密切相關(guān)。目前已知的唯一擁有相同特征的系統(tǒng)是鉆石中的氮晶格空位中心(nitrogen-vacancy center),由氮原子取代了碳原子及鄰近晶格空位導(dǎo)致,也能在室溫下用作量子比特,而其他物質(zhì)的量子態(tài)要求接近絕對零度。但氮晶格空位中心的鉆石很難生長,給制造集成電路帶來很大困難。
相比之下,商業(yè)中用的高質(zhì)量碳化硅晶體直徑能達(dá)到幾英寸,很容易用在各種各樣的電子設(shè)備、光電設(shè)備和電動(dòng)機(jī)械設(shè)備中。研究人員指出,碳化硅晶格缺陷適用于紅外光,其能量和目前整個(gè)現(xiàn)代電訊網(wǎng)絡(luò)所用的光很接近。未來的集成量子設(shè)備有著精密的電子和光學(xué)線路,這些獨(dú)特的性質(zhì)讓碳化硅成為最有吸引力的候選材料。
“我們的夢想是能自由設(shè)計(jì)量子機(jī)械設(shè)備。就像城市工程師能按照載荷能力、跨度設(shè)計(jì)橋梁一樣,希望有一天量子工程師能按照量子糾纏度、與環(huán)境相互作用度等規(guī)格指標(biāo)來設(shè)計(jì)量子電器設(shè)備!闭撐念I(lǐng)導(dǎo)作者、奧斯卡羅姆實(shí)驗(yàn)室研究生威廉姆·凱爾說。
相較于自己“非此即彼”的親戚比特,量子比特就像那只半死半活的“薛定諤貓”,多了一種“既此又彼”的疊加態(tài)。而這點(diǎn)不同也標(biāo)志了量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在運(yùn)算方式及運(yùn)算能力上的截然區(qū)別。不過,量子技術(shù)要想得到真正廣泛的應(yīng)用,還必須改變它對環(huán)境等客觀因素的嚴(yán)苛要求,從“接近絕對零度”到“室溫”的變化,無疑就是其中一個(gè)重要的進(jìn)步。這一來自晶格缺陷的進(jìn)步也再次告訴我們,換個(gè)角度看人待事,往往會(huì)有意想不到的收獲。