筑波大學(xué)一個(gè)研究小組研究了一種利用超短激光脈沖在硅晶體內(nèi)產(chǎn)生相干晶格波的新方法。通過理論計(jì)算和匹茲堡大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠證明相干振動(dòng)信號(hào)可以維持在樣品內(nèi)部。

這項(xiàng)研究可能會(huì)促使基于現(xiàn)有硅設(shè)備的量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，這些硅設(shè)備可以快速地執(zhí)行目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)都無法完成的任務(wù)。從家用個(gè)人電腦到商業(yè)服務(wù)器，計(jì)算機(jī)是我們?nèi)粘Ｉ畹暮诵牟糠郑?jì)算機(jī)力量繼續(xù)以驚人的速度增長(zhǎng)。

然而，對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說，有兩個(gè)大問題迫在眉睫。第一個(gè)是對(duì)我們可以在一個(gè)處理器中封裝多少晶體管的基本限制。最后，如果要繼續(xù)增加計(jì)算機(jī)的處理能力，就需要一種全新的辦法。其次，即使是功能最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)也會(huì)在某些重要問題上遇到困難，比如在互聯(lián)網(wǎng)上保護(hù)信用卡號(hào)碼安全的密碼算法，或者優(yōu)化投遞包裹的路線。這兩個(gè)問題的解決方案可能都是量子計(jì)算機(jī)，它利用了控制非常小尺度的物理規(guī)則，比如原子和電子。

在量子體系中，電子的行為更像波，而不是臺(tái)球，其位置是“模糊的”，而不是確定的。此外，各種組件可能會(huì)糾纏在一起，這樣，如果不參考其他組件，就無法完整地描述每個(gè)組件的屬性。一個(gè)有效的量子計(jì)算機(jī)必須保持這些糾纏態(tài)的相干性足夠長(zhǎng)才能進(jìn)行計(jì)算。在新研究中，Tsukuba大學(xué)一個(gè)團(tuán)隊(duì)和匹茲堡大學(xué)物理學(xué)和天梅隆大學(xué)主席Hrvoje Petek使用非常短的激光脈沖，來激發(fā)硅晶體內(nèi)的電子。第一作者渡邊洋平(Yohei Watanabe)博士解釋說：

利用現(xiàn)有的硅來進(jìn)行量子計(jì)算，將使向量子計(jì)算機(jī)的過渡變得容易得多。高能電子產(chǎn)生了硅結(jié)構(gòu)的相干振動(dòng)，使電子和硅原子的運(yùn)動(dòng)糾纏在一起。然后利用第二激光脈沖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)延變化后的狀態(tài)檢測(cè)。根據(jù)理論模型，科學(xué)家們能夠解釋觀察到電荷隨延遲時(shí)間的變化。執(zhí)行該實(shí)驗(yàn)的資深作者M(jìn)uneaki Hase教授說：這個(gè)實(shí)驗(yàn)揭示了控制相干振動(dòng)的潛在量子力學(xué)效應(yīng)。從這個(gè)意義上說，這個(gè)項(xiàng)目代表著朝著消費(fèi)者買得起的量子計(jì)算機(jī)邁出第一步。

研究了非摻雜硅晶體中相干聲子產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)的光譜特征，建立極化子準(zhǔn)粒子模型計(jì)算了離子核誘導(dǎo)電荷密度隨時(shí)間變化的延遲縱向光學(xué)聲子格林函數(shù)(LO-)。在低聲子模與等離子體模在早期幾乎保持能量共振的情況下，發(fā)現(xiàn)信號(hào)頻譜的不對(duì)稱性；這種情況在超短泵浦激光脈沖照射后可立即持續(xù)約100秒。從時(shí)間絕熱圖可以看出，這種不對(duì)稱性是由兩種模態(tài)之間的羅森-齊納耦合引起。

通過對(duì)隨時(shí)間變化的電光反射率信號(hào)測(cè)量，得到了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了計(jì)算結(jié)果的一致性。隨著光激發(fā)載流子密度由滿足上述條件進(jìn)一步向載流子密度的高、低方向變化，光譜變得更加對(duì)稱。此外，還研究載流子密度光學(xué)章動(dòng)對(duì)相干聲子信號(hào)的影響，并與瞬態(tài)Fano共振引起的不對(duì)稱性以及GaAs晶體中觀察到的譜線進(jìn)行了比較，這些研究發(fā)現(xiàn)和成功都將為未來的量子計(jì)算機(jī)奠定一定基礎(chǔ)。

博科園｜研究/來自：筑波大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論B》

DOI: 10.1103/PhysRevB.99.174304

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