量子計算新突破，比現有最強晶片運算快100萬倍，材料採用硒化鎢

當前的運作電腦和電子產品是基於運動和能量狀態的電子，每秒運算速度約10億次。通常，這些器件施加電壓的速率取決於電晶體的數量，開關越小，時鐘頻率越高，計算系統的性能越高。但是您知道嗎，未來量子計算能將現有的極限速度再提升100萬倍，達到每秒運算1000萬億次。

這並非吹牛或臆想。近日，一個由美國和德國聯合組成國際物理學家團隊提出了一種全新量子計算方法——光波計算，這一種新的概念有望更快地控制電子的運動，從而再次突破摩爾定律，最最最重要的是，研究人員認為這技術將使量子計算普及的可能性比以往更大。

在研究過程中，科學家展示了紅外雷射脈衝如何能夠在薄片半導體中將電子在兩種不同狀態（典型的1和0）之間轉換。光波計算的技術將使他們能夠控制流過常規電晶體網路的電流，速度提高一百萬倍。當然，研究取得突破的重點是他們採用蜂窩狀晶格中的單層鎢和硒合成的材料，也就是單層納米二硒化鎢（二硒化鎢納米片）。

二硒化鎢的主要結構是由上下各一層硒原子連接中間一層鎢原子所組成，鄰近的兩個WSe2層間作用力為弱的范德華力，這種材料和單層二硫化鎢一樣被廣泛關注和研究（石墨烯因為是零帶隙材料，幾乎沒有可能完成這種應用）。在光波計算過程中，納米二硒化鎢結構會產生一對稱為贗自旋的電子態。就像量子電動力學中的自旋量子數 (上和下) 一樣，這不是電子的自旋（即使這樣，物理學家也警告說電子實際上不是在旋轉），它是一種角動量，這兩個贗自旋可以編碼1和0。

鎢硒晶格周圍只有兩條軌道供受激發電子進入。用同一方向紅外線照射晶格，電子就會跳到第一條軌道上。用不同方向紅外線照射它，電子就會跳到另一條軌道上。理論上，一台電腦可以將這些軌道視為1和0。當軌道1上有一個電子時，那就是1。當它在軌道0上時，那就是0。

利用快速的紅外光脈衝將電子引入這些狀態，僅持續幾飛秒（千分之一秒）。初始脈衝具有自己的自旋，稱為圓極化，將電子發送到一個贗自旋狀態。然後，沒有自旋（線性極化）的光脈衝可以將電子從一個贗自旋推向另一個 - 然後再返回。

通過將這些狀態視為普通的1和0，就有可能創造一種新型的“光波”電腦，因為電子在軌道上停留的時間不長，但一旦它們進入軌道，額外的光脈衝就會讓它們在兩條軌道之間來回撞擊，然後才有機會回到不激發狀態。研究者們指出，使用納米硒化鎢材料，這種1-0-1-0來回的碰撞比當前晶片要快得多，它的速度至少是現有最強處理晶片時鐘速度的百萬倍。

此外，電子也可以在兩個贗自旋之間形成疊加態。對於一系列脈衝，應該可以進行計算，直到電子脫離其相干態。該團隊表明他們可以快速翻轉一個量子位以執行一系列操作 - 基本上，這個速度足以在量子處理器中工作。

量子計算的下一步將是同時獲得兩個量子比特，彼此接近以至於彼此交互。例如，這可能涉及堆疊平坦的半導體片或者使用納米結構技術來隔離單個片內的量子位。

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