这种超薄材料中的“能谷”有可能促使量子计算机获得飞跃!

  • 日期:10-21
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关于二维(2D)二硫化钨(WS2)的新研究可能为量子计算的发展打开大门。在发表于《 《自然通讯》》(《自然通讯》)上的研究论文中,科学家们报告说,可以通过编码量子数据来操纵这种超薄材料的电子特性。该研究涉及布法罗大学的物理学家之一,二硫化钨的能量谷,该论文的主要作者曾浩将其描述为“晶体固体中电子结构的局部能量极值”。能量谷对应于电子在材料中所具有的比能,并且一个能量谷和另一个能量谷中电子的存在可用于编码信息。

一个谷中的电子可以用二进制代码表示1,而另一个谷中的电子可以表示0。控制可能在何处找到电子的能力可以导致量子计算的发展,从而产生了量子位(量子信息的基本单位)。量子位具有一种神秘的性质,它不仅可以以1或0的状态存在,而且可以存在于与这两个状态相关的“覆盖”中。新的研究标志着向这些未来技术迈出的一步,展示了一种操纵能量谷中能量谷的新方法。 UB艺术与科学学院物理教授Zeng Hao博士与UB杰出物理学教授Athos Petrou博士以及内布拉斯加大学奥马哈大学物理主任Renat Sabirianov博士一起领导了该项目。

移动二硫化钨的能量谷

其他合着者包括由美国国家科学基金会资助的UB物理研究生Tenzin Norden,赵川和张培耀(音译)。二维二硫化钨是具有三个原子厚度的单层材料。在这种配置中,二硫化钨具有两个能量谷,这两个能量谷具有相同的能量。过去的研究表明,施加磁场可以使能量谷的能量向相反方向移动,降低了一个能量谷的能量,使其“更深”,对电子更具吸引力,并增加了另一个能量谷的能量,从而使它“更轻”。如果在二硫化钨下方放置一薄层磁性锶锶,则在两个波谷中的能量传递可以扩大两个数量级。

然后,当施加1特斯拉的磁场时,可以实现能量的大能量传递,这等效于如果没有硫化锶,则可以通过施加大约100特斯拉的磁场来实现的效果。存在。效果非常大,就像使用磁场放大器一样。研究人员说,这太令人惊讶了,必须多次检查以确保没有错误。最终结果是什么?操纵和检测山谷中电子的能力已大大增强,这些特性可以促进量子计算中量子位的控制。像其他形式的量子计算一样,基于能量谷的量子计算依赖于亚原子粒子(在这种情况下为电子)的奇异特性来执行强大的计算。

在量子计算中作为量子位的量子状态

电子行为可能看起来很奇怪,例如,电子可以一次出现在多个位置。因此,在能量谷中将电子用作量子位系统并不是1和0的唯一可能状态。量子位也可以是这些状态的任何叠加,并且能量子计算机同时探索了许多可能性。这就是为什么量子计算对某些特殊任务如此强大的原因。由于量子计算的可能性和随机性,它特别适合于人工智能,密码学,金融建模和量子力学模拟等应用,以设计更好的材料。但是,有许多障碍需要克服,而且如果可扩展的通用量子计算成为现实,则可能需要很多年。这项新研究基于Zeng和Peter先前的研究。

它们使用硫化锶和磁场来改变二维材料中的两个二维材料的能量:硒化钨(WSe2)。尽管WS2和WSe2相似,但是它们对“能量分裂”的响应不同。在WS2中,变成“更深”的谷类似于WSe2中的“更轻”能量谷,反之亦然,这为探索这种区别如何在技术应用中提供灵活性提供了机会。两种材料共有的特征可能有益于量子计算:在WS2和WSe2中,填充两个能量谷的电子具有相反的自旋,这是角动量的一种形式。尽管创建量子位不是必需此功能,但它“提供了一定的量子态保护,使它们更加稳定。”

博科园|文:徐夏洛/phys

参考日记《自然通讯》

DOI: 10.1038/s-019--4

博科园|科学,技术,科学研究,科学普及

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本文是第一作者的原创,未经授权不得复制。

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关于二维(2D)二硫化钨(WS2)的新研究可能为量子计算的发展打开大门。在发表于《 《自然通讯》》(《自然通讯》)上的研究论文中,科学家们报告说,可以通过编码量子数据来操纵这种超薄材料的电子特性。该研究涉及布法罗大学的物理学家之一,二硫化钨的能量谷,该论文的主要作者曾浩将其描述为“晶体固体中电子结构的局部能量极值”。能量谷对应于电子在材料中所具有的比能,并且一个能量谷和另一个能量谷中电子的存在可用于编码信息。

一个谷中的电子可以用二进制代码表示1,而另一个谷中的电子可以表示0。控制可能在何处找到电子的能力可以导致量子计算的发展,从而产生了量子位(量子信息的基本单位)。量子位具有一种神秘的性质,它不仅可以以1或0的状态存在,而且可以存在于与这两个状态相关的“覆盖”中。新的研究标志着向这些未来技术迈出的一步,展示了一种操纵能量谷中能量谷的新方法。 UB艺术与科学学院物理教授Zeng Hao博士与UB杰出物理学教授Athos Petrou博士以及内布拉斯加大学奥马哈大学物理主任Renat Sabirianov博士一起领导了该项目。

移动二硫化钨的能量谷

其他合着者包括由美国国家科学基金会资助的UB物理研究生Tenzin Norden,赵川和张培耀(音译)。二维二硫化钨是具有三个原子厚度的单层材料。在这种配置中,二硫化钨具有两个能量谷,这两个能量谷具有相同的能量。过去的研究表明,施加磁场可以使能量谷的能量向相反方向移动,降低了一个能量谷的能量,使其“更深”,对电子更具吸引力,并增加了另一个能量谷的能量,从而使它“更轻”。如果在二硫化钨下方放置一薄层磁性锶锶,则在两个波谷中的能量传递可以扩大两个数量级。

然后,当施加1特斯拉的磁场时,可以实现能量的大能量传递,这等效于如果没有硫化锶,则可以通过施加大约100特斯拉的磁场来实现的效果。存在。效果非常大,就像使用磁场放大器一样。研究人员说,这太令人惊讶了,必须多次检查以确保没有错误。最终结果是什么?操纵和检测山谷中电子的能力已大大增强,这些特性可以促进量子计算中量子位的控制。像其他形式的量子计算一样,基于能量谷的量子计算依赖于亚原子粒子(在这种情况下为电子)的奇异特性来执行强大的计算。

在量子计算中作为量子位的量子状态

电子行为可能看起来很奇怪,例如,电子可以一次出现在多个位置。因此,在能量谷中将电子用作量子位系统并不是1和0的唯一可能状态。量子位也可以是这些状态的任何叠加,并且能量子计算机同时探索了许多可能性。这就是为什么量子计算对某些特殊任务如此强大的原因。由于量子计算的可能性和随机性,它特别适合于人工智能,密码学,金融建模和量子力学模拟等应用,以设计更好的材料。但是,有许多障碍需要克服,而且如果可扩展的通用量子计算成为现实,则可能需要很多年。这项新研究基于Zeng和Peter先前的研究。

它们使用硫化锶和磁场来改变二维材料中的两个二维材料的能量:硒化钨(WSe2)。尽管WS2和WSe2相似,但是它们对“能量分裂”的响应不同。在WS2中,变成“更深”的谷类似于WSe2中的“更轻”能量谷,反之亦然,这为探索这种区别如何在技术应用中提供灵活性提供了机会。两种材料共有的特征可能有益于量子计算:在WS2和WSe2中,填充两个能量谷的电子具有相反的自旋,这是角动量的一种形式。尽管创建量子位不是必需此功能,但它“提供了一定的量子态保护,使它们更加稳定。”

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参考日记《自然通讯》

DOI: 10.1038/s-019--4

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