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研究人员表明嵌入纳米点的超晶格可能不会向环境中耗散能量
时间:2021-08-25 14:42:42

在一项有助于量子计算的研究中,研究人员表明嵌入纳米点的超晶格可能不会向环境中耗散能量。 世界各地的科学家们正在为量子计算机开发新的硬件,这种新型设备可以加速药物设计、金融建模和天气预测。这些计算机依赖于量子比特(qubits),即可以同时代表 1 和 0 的某种组合的物质比特。

问题是,量子比特是变化无常的,当与周围物质相互作用时,会退化成普通比特。但麻省理工学院的新研究提出了一种保护其状态的方法,使用一种叫做多体定位(MBL)的现象。

MBL 是几十年前提出的物质的一个特殊阶段,它与固体或液体不同。通常情况下,物质会与它的环境达到热平衡。这就是为什么汤会冷却,冰块会融化。但在 MBL 中,由许多强相互作用的物体组成,如原子,永远不会达到这种平衡。

热,像声音一样,由集体的原子振动组成,可以以波的形式传播;一个物体内部总是有这样的热波。但是当它的原子排列方式有足够的无序和足够的相互作用时,这些波就会被困住,从而使物体无法达到平衡。

MBL已经在"光学晶格"中得到了证明,即在非常低的温度下用激光固定的原子排列。但这种设置是不切实际的。MBL也可以说是在固体系统中展示的,但只是在非常缓慢的时间动态中,在这种情况下,相的存在很难被证明,因为如果研究人员能够等待足够长的时间,就可能达到平衡。麻省理工学院的研究在一个由半导体构成的“solid-state”系统中发现了 MLB 的迹象,该系统在被观察的时间内就会达到平衡状态。

虽然没有参与到本项工作中,但是科罗拉多大学博尔德分校的物理学家 Rahul Nandkishore 说:“这可能为量子动力学的研究开启一个新的篇章”。

麻省理工学院Norman C Rasmussen核科学与工程助理教授Mingda Li领导了这项新研究,发表在最近一期的《纳米通讯》上。研究人员建立了一个包含交替半导体层的系统,创造了一个微观的千层饼--砷化铝,然后是砷化镓,以此类推,共有600层,每层厚度为 3 纳米(百万分之一毫米)厚。

在这些层之间,他们分散了"纳米点",即 2 纳米的砷化铒颗粒,以创造 disorder。千层饼或"超晶格"有三种配方:一种没有纳米点,一种是纳米点覆盖每层面积的8%,还有一种是纳米点覆盖25%。

为了测量这些无序系统是否仍然保持平衡,研究人员用X射线对其进行了测量。利用阿贡国家实验室的高级光子源,他们以超过2万电子伏特的能量射出辐射束,并以小于千分之一电子伏特的能量分辨率来解决传入的X射线和其从样品表面反射后的能量差异。为了避免穿透超晶格并击中底层基质,他们以与平行线仅半度的角度进行拍摄。

关键词: 半导体 量子计算 物质状态 耗散能量

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