美国能源部选择W&M物理学家解决量子计算的关键组成部分
未来的计算机和传感器正在一次一个原子地被设计出来。William & 玛丽的理论量子物理学家团队与材料科学家合作开发了一种利用亚原子导电性的新工具。
“作为理论物理学家，我们的职责是考虑如何选择实验的不同参数，”威廉与玛丽大学物理学副教授恩里科·罗西（Enrico Rossi）说，他领导着该校的一个凝聚态理论小组。“在这种情况下，我们想知道如何调整纳米级器件，使其基本上处于超导状态，使其成为非常敏感的传感器。”
这个项目是与桑迪亚国家佳博体育的材料科学家潘伟和纽约大学的贾瓦德·沙巴尼合作完成的，旨在解决通往更先进的量子计算机道路上的主要障碍——开发能够编码量子比特的类似传感器的结构，量子比特相当于今天二进制计算语言中使用的1和0。
罗西的合作是美国能源部最近选择的29个项目之一，获得7300万美元资金的一部分，用于推进量子信息科学（QIS）研究，以开发下一代量子智能设备和量子计算技术。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在一份新闻稿中说：“量子科学代表着下一次技术革命和信息时代的前沿，美国站在最前沿。”“在能源部，我们正在投资由大学和我们的国家佳博体育领导的基础研究，这将增强我们面对日益增长的网络威胁和气候灾害的弹性，为更清洁，更安全的未来铺平道路。”
解决世界上最大的问题从小事做起——非常小。罗西解释说，他的团队正在开发基于半导体技术的理论，他们在纽约大学和桑迪亚大学的合作者能够在单个原子的规模上进行构建。
“他们使用了所谓的分子束外延，这意味着他们在完全清洁的环境中一次一个原子地生长这种材料，”罗西说。“通过这样做，他们可以非常仔细地控制厚度，并确保没有杂质飞进来并干扰结构。”
罗西解释说，最终的目标是使这种结构对干扰非常敏感，以至于一个光子就能触发它。最终的产品将是所谓的拓扑超导装置，这是一种超导体和半导体的特殊组合，以这种方式分层在一起，最轻微的干扰-例如，单个光子-将推动结构进入拓扑超导状态。
“我们需要这种材料非常接近于正常超导体和拓扑超导体之间的过渡，”罗西说。“当它们如此接近这种转变时，它们对外部扰动非常敏感，这意味着它们可以充当传感器。另一方面，牢固地处于拓扑超导相位的系统可以非常不受外部扰动的影响，这一事实使其成为实现鲁棒量子比特的理想选择。”
罗西把这种材料比作一袋过冷水。当水足够干净时，可以小心地将其冷却到正常冰点以下。它处于冰点温度，但仍然是液体。
“它非常不稳定，很容易变成冰，”罗西解释说。“事实上，如果你放入一粒盐，分子立即成核，并立即结晶。它突然变成了冰。”
他解释说，一个处于从一种状态过渡到另一种状态边缘的系统是监测环境变化的极好方法。
罗西说：“在我们的情况下，我们认为我们可以调整系统，使其非常接近正常超导体和拓扑超导体之间的过渡——事实上，如此接近，外部光子基本上可以驱动系统进入另一个阶段。”
罗西解释说，该团队的设备将能够感知电磁场的微小变化，从而开发出能够感知不再可见的光或更强的脑电图的望远镜，能够通过感知单个神经元来检测脑电波的异常。
“假设你有一个离输出源很远的收音机，”罗西说。“如果你不能接收到无线电波，那么你就不能再听了。但如果你有一台非常灵敏的收音机，你可以在远离信号源数百英里的地方仍然能听到这些无线电波，即使它们非常非常微弱。这就是我们正在用这个设备做的事情。”
