關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
量子計算機是資訊科學領域的一種聖盃。它們固有的計算優勢來自於其基本的計算單元，即量子位元（“qubit”）。與經典計算機中的數字位元只能是 0 或 1 不同，量子位元可以同時是 0 和 1，這為更強大的計算打開了大門。雖然基於量子位元的可用計算機仍然是一個遙遠的幻想，但研究人員仍在不斷朝著實現它們的目標邁進。
來自倫敦大學學院、猶他大學和塔拉哈西佛羅里達州立大學的新研究表明，量子計算機的開發又向前邁進了一步。該團隊表明，透過使用強大的磁場和極低的溫度（低於 –450 華氏度 [–270 攝氏度]），他們可以使用電流讀取矽晶片中電子的狀態（潛在的量子位元），並能夠顯著延長這些量子位元的可用壽命。該論文發表在《物理評論快報》雜誌上。
普林斯頓大學電氣工程學教授斯蒂芬·里昂（未參與這項研究）表示，讀取量子位元的狀態（編碼在稱為自旋的屬性中）是量子計算的主要挑戰之一。他特別指出，研究人員最終需要能夠測量單個量子位元的自旋狀態，就像經典計算機可以讀取和寫入單個位元一樣。
猶他大學的博士後物理學家、該研究的合著者戴恩·麥卡梅表示，一種方法是“將量子資訊對映到流經裝置的電流上”。換句話說，研究人員在操縱自旋時跟蹤流經裝置的電流。里昂說，量子讀出“幾乎肯定必須以電氣方式完成，才能獲得我們需要的靈敏度。”
該小組的設定是在矽晶片中用磷原子替換矽原子，引入一個額外的“施主”電子，該電子可以被操縱和測量。然後，麥卡梅說，研究人員使用毫米波輻射來調整電子的自旋，同時監測流經的電流。他表示，總的來說，自旋樣本中有數千個量子位元電子——該系統還不夠靈敏，無法檢測單個量子位元甚至少量量子位元群的自旋。
麥卡梅說，使用矽的優勢在於“它與傳統的半導體器件相容”。“你可以使用許多相同的處理技術。”馬里蘭大學奈米中心的資深研究物理學家布魯斯·凱恩對此表示贊同：“這項工作是朝著表明電子器件（如傳統電子器件中的電晶體）有一天可能用於測量矽中單自旋量子位元邁出的重要一步。”
麥卡梅和他的合著者寫道，問題在於施主電子的自旋以電氣方式可讀的時間不長，在使用這種檢測的先前研究中僅為百萬分之二秒。該團隊透過應用強磁場（約為先前實驗中使用的磁場強度的 25 倍）來對齊自旋並降低溫度，將自旋的壽命延長了 50 倍。
凱恩強調，這項研究尚未將該領域推到實用量子計算的門檻。“雖然這是一個令人鼓舞的結果，”他說，“但這離測量矽中電子量子位元所需的條件還差得很遠。”他說，縮小到單自旋靈敏度將是一個挑戰，特別是考慮到電流容易干擾自旋。
“在我們能夠可靠地讀出單個施主之前，我們還有很長的路要走，”里昂指出，並補充說，這“是沿著這條道路邁出的重要一步。”