人們?cè)谠O(shè)計(jì)和制造具有革命性的量子計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，所遭遇到的最主要的障礙是如何尋找到合適的途徑操控單個(gè)電子，因?yàn)闃?gòu)建量子計(jì)算機(jī)的處理部件或“量子比特”將是電子。日前，美國(guó)普林斯頓大學(xué)物理副教授杰森?培塔表示，他和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的科學(xué)家通過(guò)研究尋找到了操控電子的方法。該方法能改變單個(gè)電子的特性，而同時(shí)又不干擾成萬(wàn)億計(jì)的鄰近電子。該研究成果為未來(lái)開發(fā)多種處理能力超強(qiáng)、運(yùn)算速度超快的計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

　　培塔的研究小組將電壓加載到微小電極上，從而開發(fā)出了將一個(gè)或兩個(gè)電子俘獲進(jìn)顯微柵欄（量子阱）中的新方法。在近期出版的《科學(xué)》雜志上，他們發(fā)表文章介紹了電子是如何被俘獲到柵欄中形成“自旋量子比特”的。

　　在普通計(jì)算機(jī)中，其信息單元為比特，自旋量子比特則是量子計(jì)算的信息單元。為獲得量子比特，過(guò)去的實(shí)驗(yàn)所采用的技術(shù)是將電子置于微波輻射的環(huán)境中，然而這種技術(shù)會(huì)導(dǎo)致所有的電子出現(xiàn)一致性，因而不能用來(lái)操控自旋量子比特中的單個(gè)電子。此外，該方法還存在著速度慢的缺陷。培塔的新方法不僅能夠控制單個(gè)電子，而且速度非?？?，只需十億分之一秒。

　　培塔表示，如果能夠獲取小到像單個(gè)電子這樣的物質(zhì)并將其隔離起來(lái)不受外界影響，那么這個(gè)電子就具有量子力學(xué)的表現(xiàn)。人們要做到的就是讓電子停留在被隔離的狀態(tài)中并依照人們的愿望去行動(dòng)。然而，被隔離電子的周圍環(huán)境始終在干擾它，干擾過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電子失去自己的量子力學(xué)性質(zhì)。

　　在培塔的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電子進(jìn)入量子狀態(tài)時(shí)，這些電子具有相干性（或者一致性），遵從的規(guī)則完全不同于人們裸眼所見(jiàn)世界所遵循的規(guī)則。在量子物理王國(guó)中生存的時(shí)間不足1秒鐘的電子遵守描述超小物質(zhì)行為的獨(dú)特的物理學(xué)定律。

　　培塔和其同行從事的領(lǐng)域?yàn)榱孔涌刂?，他們的目?biāo)是要掌握如何在量子力學(xué)的作用下操控物質(zhì)，只有操控物質(zhì)才能了解物質(zhì)特性，以便有能力發(fā)展量子計(jì)算機(jī)這類技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)將有效地利用這些物質(zhì)的特性，以豐富它們?cè)谠S多方面的應(yīng)用。

　　除了帶電外，電子還具有自旋的特性。在量子力學(xué)世界，物質(zhì)能夠表現(xiàn)出與常見(jiàn)特性完全不同的特性。獲得1945年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的奧地利理論物理學(xué)家沃爾夫?qū)?泡利曾提出，處在量子狀態(tài)的每個(gè)電子可假設(shè)呈“上旋”（spin-up）或“下旋”（spin-down）兩種狀態(tài)之一。這可以看做是一個(gè)微小條形磁鐵的行為，“上旋”時(shí)對(duì)應(yīng)于磁鐵N極向上，“下旋”時(shí)對(duì)應(yīng)于磁鐵N極向下。

　　量子狀態(tài)下的電子能夠同時(shí)呈部分“上旋”和部分“下旋”狀態(tài)或呈“上旋”和“下旋”之間的任意狀態(tài)，量子力學(xué)這種特性被稱為“態(tài)疊加”。一個(gè)基于電子自旋的量子比特具有近無(wú)限的潛能，這是因?yàn)樗臓顟B(tài)既不是嚴(yán)格的“開”又不是嚴(yán)格的“關(guān)”。

　　培塔完成的新設(shè)計(jì)利用了電子自旋“態(tài)疊加”特性所提供的多種可能性，以便增強(qiáng)計(jì)算能力。在過(guò)去的10年里，理論學(xué)家和數(shù)學(xué)家尋找到了能夠借用電子“態(tài)疊加”的運(yùn)算方法，可以現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)不可企及的速度進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算。

　　簡(jiǎn)而言之，培塔的研究工作極大地利用了電子自旋特性。德國(guó)康斯坦茨大學(xué)理論物理學(xué)家吉多?巴卡德表示，在利用電子自旋量子比特研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，核自旋是典型的令人生厭的事情。培塔和其同事展示了利用核自旋來(lái)完成快速量子操作的新方法，對(duì)于固體量子計(jì)算機(jī)而言，他們的研究結(jié)果是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

　　培塔將自己獲得的自旋量子比特視為未來(lái)量子邏輯元件的核心。實(shí)驗(yàn)中，自旋量子比特被冷卻至接近絕對(duì)零度，并俘獲在高純度砷化鎵芯片表面形成的兩個(gè)量子阱中。每個(gè)量子阱的深度由施加在電極或量子阱門上可變化的電壓來(lái)控制，通過(guò)有選擇性的門電壓切換，研究人員可將電子從一個(gè)量子阱移動(dòng)到另一個(gè)量子阱中。

　　普林斯頓大學(xué)復(fù)合材料中心主任費(fèi)恩?昂表示，在培塔研究小組的實(shí)驗(yàn)之前，人們不清楚如何在操控一個(gè)電子自旋的同時(shí)，而又不影響附近空間中另一個(gè)電子自旋。

　　培塔的研究是新興的自旋電子學(xué)領(lǐng)域的一部分。在自旋電子學(xué)中，科學(xué)家研究的是如何利用電子自旋特性研發(fā)新型電子設(shè)備。目前，大多數(shù)電子設(shè)備的運(yùn)行是基于電子的另一個(gè)重要特性：電子帶電特性。

　　培塔認(rèn)為，他們還面臨著許多的挑戰(zhàn)。他說(shuō)，他們的研究只是在認(rèn)識(shí)整個(gè)體系的構(gòu)建模塊，探索它的局限性，以及如何去克服這些局限性?，F(xiàn)在還僅處在操控一個(gè)或兩個(gè)量子比特的水平，要做更多的事情則需要數(shù)百個(gè)量子比特。雖然對(duì)取得的進(jìn)展感到高興，但他表示，這離長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用還需數(shù)年的時(shí)間?！?