钻石 量子计算机的心脏

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1、环球科学精编本钻石量子计算机的心脏钻石拥有许多独特的物理性质。高纯度的钻石中有一种特殊杂质，拥有相当稳定的电子自旋状态，可以存储量子信息；不同杂质之间的自旋相互作用，可以实现复杂的量子逻辑运算。有一天，量子计算机会出现在我们的日常生活之中，它的核心很可能是用钻石制造的。撰文戴维·D·阿沙洛姆（DavidD.Awschalom）赖安·爱泼斯坦（RyanEpstein）罗纳德·汉森（RonaldHanson）翻译张童审校薛其坤刚石，俗称钻石，是一系列物理性质里也许就有自旋电子学的第一个初级商业化自旋电子学的金的世界纪录保持者：拥有超高的硬度，产品——硬盘磁头。1998年以来，硬

2、盘磁头钻石时代热导率也是所有固体材料中最优良的，对紫开始利用一种名为“巨磁电阻效应”（giant●电子同时带有电荷和自外线也高度透明。随着高纯度单晶金刚石制magnetoresistance）的自旋电子学现象，来旋，但是只有自旋电子器备技术和掺杂技术的发展，金刚石在固态电探测磁盘上微小磁畴的取向（不同的取向代件才能同时利用二者，获得前所未有的性能。子器件上的应用前景也越来越诱人。纯净的表着二进制数据中的0和1），从而实现数据●自旋电子学已经给我们带金刚石是电的绝缘体，但如果掺入杂质，金的读取。来了硬盘磁头和非易失性刚石就会变成具有奇特性质的半导体，可用另一种自旋电子学器件—

3、—磁随机存储存储器，能瞬间启动的计算机和可重设逻辑的芯片来探测紫外线，制作紫外线光电二极管、光器（MRAM），将出现在今后几年的新型计也可能在将来成为现实。学设备以及大功率微波器件等。然而，金刚算机中。与硬盘一样，MRAM也用磁性储●人工合成的半导体钻石材石最令人激动的应用出现在量子自旋电子学存信息，因此是非易失性存储器——断电后料，可能成为未来量子自旋电子时代的基石，熟练（spintronics）领域，可能会带来实用的量子数据信息也不会丢失；而数据的读写则靠电地驾驭单个电子的自旋，计算机（这种计算机具备常规计算机难以企来完成——与其他用电荷储存信息的存储器使量子计算机和其

4、他量子信息设备成为可能。及的运算能力），还有可能实现高度安全的量一样。摩托罗拉子公司飞思卡尔半导体公司子通讯技术。（FreescaleSemiconductor）已于2006年自旋电子学是电子学的进一步发展。传率先推出了MRAM的商业化产品。统电子学驾驭的只是电子的电荷，而自旋电如果使用非易失性存储器芯片，计算机子学除了电荷以外，还要驾驭一种被称为“自就不必在每次开机后，都耗时费力地从硬盘旋”（spin）的物理性质——这种性质让电子上重新载入程序，而是瞬间复原到关机前的的行为方式看起来就像小磁棒。你的计算机状态，就像现在的掌上电脑一样。因为所有290环球科学环球科学精编本需

5、要载入的程序和数据仍然保存在内存芯片于被极化的偏振光束。近年来，研究人员在中，并没有丢失。这一领域取得过许多激动人心的发现，包括现在，更先进的自旋电子技术还处于早如何在不依赖磁性材料和笨重线圈获得磁场期研究阶段，比如能够在控制电流的同时利的情况下，在半导体材料中产生自旋极化并用自旋的自旋晶体管（spintransistor）。掌加以控制。特别值得一提的是，包括我们在握了这些技术，我们就能制造出运行时可重内的多个研究小组都观察到了一种奇特的现新设定逻辑电路的计算机芯片。象——“自旋霍尔效应”（spinHalleffect，参见第70页的《控制集体自旋》一文），它有量子电子学很

6、多潜在用途。量子自旋器在量子计算机中，量子比特的取值不再只是0或1，还可能既为0又为1，这让量子计算机具备了无与伦比的件是比磁性存储运算能力。但是量子比特又该如何实现呢？器更加先进的第二类自旋电子器磁头和MRAM之类的设备代表了一大件，它们能控制单个电子，利用电子的自旋环球科学小词典磁畴（magneticdo-类自旋电子器件。在这类器件中，大量电子量子特性。量子自旋电子学提供了一种实用main），是指磁性材料的自旋按同一方向排列（即自旋极化），就像的量子信息处理方法。所谓量子信息处理，内部的一个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些地板上许多顺时针旋转的陀螺一样。这类电就是

7、用量子比特（qubit）替代普通计算机中原子的磁矩都像一个个小磁子被称为“自旋极化电子”（spin-polarized的0和1（即比特），而量子比特可以同时既铁那样整齐排列，但相邻的electron），它们通常会流经器件的某些部分，为0又为1，这种混合的状态称作量子叠加不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。产生自旋极化电流（即自旋流），非常类似态（quantumsuperposition）。www.sciam.cn环球科学291环球科学精编本[基础知识]自旋和它的应用自旋是什么？除了质量和电荷，电子还拥有一定的内在角