普林斯顿大学电子自旋研究有新进展

能够读取电子上的自旋资讯，是朝更大型量子运算系统方向前进的关键之一。普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员表示，已经开发出一种可阅读电子自旋资讯的技术，这将是量子运算发展过程中的潜在推动力量。
自旋电子学( Spintronics )是一种藉由电子透过传递电子上的自旋而非其电荷资讯的概念，可用于推动运算领域开发出更小、更快、更具能效的资料储存或处理技术及设备。

由物理学家Jason Petta领导的普林斯顿研究团队，使用微波光子串流去分析一对藏在一个称之为量子点的笼状结构中的电子。微波串流能让科学家们阅读电子的自旋状态。

“我们建立了一个在两端都有镜面的谐振腔──但它们并不会反射可见光，它们只反映微波辐射，”Petta说。“之​​后我们在其中一端发送微波，并看到微波从另一端出来。谐振腔中的微波会受到其中的电子自旋态影响，而我们可以读取这种变化。”

使用微波来读取电子量子态的电路，这是发展量子电脑的潜在技术。/ 图片来源：Jason Petta /普林斯顿大学

Petta的团队开开发出的装置尺寸仅1mm多。然而，以次原子级来说，这个尺寸仍然非常巨大。该团队的工作被比喻为去协调一端在月球，另一端在地球表面的自旋运动。

“这太令人感到惊讶了，”美国马里兰大学联合量子中心暨国家标准及技术实验室的物理学家Jake Taylor说。“你有了一个几乎完全可变成1英吋长电子系统的单一电子。”

开发更大的系统

Petta表示，他的研究小组发现，工程师们最终应该能开发出包含数百万量子位元的量子电脑。截至目前为止，量子研究人员们都只能操纵极少量的量子位元(qubits)。

“量子运算领域中，最关键之处就在于如何运用它去开发更大型的系统，”该团队的电子工程师兼副教授Andrew Houck说。

多年来，该团队的科学家们都致力于使用量子力学来建立新的机器，以彻底改变运算装置的面貌。我们的目标是去开发出更快、更强大的电脑，而且是要以截然不同的方式来开发。

“量子电​​脑的重点不在于它们能不能以更快的速度去做和现在的电脑相同的事，”Houck说。“量子电​​脑能让我们以不同的方式来思考问题。它能解决现有电脑无法解决的问题。”

目前科学家们面临的挑战在电子的自旋，或是任何其他的量子粒子，因为它们都超乎想像的细腻。任何外界的影响，无论是磁性或是偶而短暂出现的一缕光线，都会破坏电子的自旋并导致错误。

多年来，科学家们都在开发能观察到自旋态而不致造成干扰的技术。但要开发真正的量子处理器，仅分析少量的旋转是不够的，需要分析的数量将达数百万。

为解决这个问题，Petta的团队使用了来自两种科学领域的技术。在材料科学方面，他们使用了一种被称为量子点的结构来维持并分析电子的自旋。在光学方面，他们则使用了微波资讯来传输来自量子点的自讯资讯。

“我们使用的方法相当有弹性，而且我们还想借此开发更大型的系统，”Petta说。“不过，要运用种弹性需要再做一些努力。第一步就是开发更好的微波谐振腔反射镜。”