量子计算机新突破：科学家研制半导体微型芯片

美国莱斯大学科学家近日研制出一种微型的“电子高速公路”--“量子自旋霍尔拓扑绝缘体”。研究人员表示，这种微型设备将来可用于制造量子计算机所需的量子比特，这一研究成果将大大促进量子计算机的研究进展。

美国莱斯大学物理学家杜瑞瑞和伊万-克尼兹近日在《物理评论快报》杂志上发表文章，详细介绍了制造这种微型设备的最新方法。这种微型设备正式名称为“量子自旋霍尔拓扑绝缘体”，可以用作“电子高速公路”，是量子计算机中产生量子粒子用来存储和处理数据的关键构件之一。

传统的计算机采用“0”或“1”二进制数据，而量子计算机采用的则是量子比特，它可以同时代表“0”和“1”。这就是量子力学奇怪的现象之一。杜瑞瑞教授介绍说，这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力。采用量子计算机，一些复杂的计算任务，如密码破译、气候模拟和生物医学模拟等，计算速度可比传统计算机快数千倍。

杜瑞瑞教授表示：“原则上，我们根本不需要太多的量子比特来制造强大的计算机。根据信息的密度，一个拥有10亿个晶体管的硅微处理器的计算能力大概相当于一个仅仅拥有30个量子比特的量子处理器。”

在量子计算机的研制竞赛中，各国研究人员采用了许多种制造量子比特的方法。不管什么方法，一个普遍的问题就是如何确保将信息编码为量子比特而又不会因为量子波动而随时间变化。这就是一个容错问题。

杜瑞瑞等人所采用的技术就是“拓扑量子计算”。这种拓扑方案有望比其他类型的量子计算机容错能力更强，因为在一台拓扑量子计算机中每个量子比特都是由一对量子粒子制成，它们实质上拥有不可变的共享特性。需要特别指出的是，物理学家相信，这种粒子可以通过将像杜瑞瑞等人研制的“量子自旋霍尔拓扑绝缘体”与超导体结合研制而成。

拓扑绝缘体拥有一些奇怪的特性。尽管电流无法通过它们，但可以在它们狭窄的外边缘周围通过。克尼兹解释说，如果一小块拓扑绝缘体附于一块超导体之上，这种设备或可能用于生产制造量子计算机的量子比特。克尼兹花了一年多时间来完善这种技术，用于生产莱斯拓扑绝缘体。这种设备是利用商业半导体制成的。杜瑞瑞表示，这是首个利用物理学家已知的材料制成的两维拓扑绝缘体。“我们正在向量子计算机迈出了重要一步。然而，只有实验才能够证明它们是否适合制造稳定的量子比特。”

为了研制“拓扑绝缘体”，美国莱斯大学研究人员克尼兹在无尘室内度过了数百小时，不断实验半导体微型芯片。

这块半导体芯片包含了数百个微型“电子高速公路”，这种所谓的“电子高速公路”将来可用于制造量子计算机。