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半導體單光子電晶體為量子電腦鋪路

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科技產業資訊室 - 黃松勳 發表於 2018年7月20日


圖、半導體單光子電晶體為量子電腦鋪路

微型電子開關電晶體,是建構現代計算設備的主要基石,如數十億的電晶體在智慧型手機內部傳送電訊號。

然而,量子電腦也需要類似的硬體來操控量子訊息,但對於這種新技術的設計限制是很嚴格的。目前最先進的半導體處理器是無法被用來作為量子裝置,因為量子訊息載體,量子位元,必須遵循量子物理學所規定的規則來運作。科學家可以利用多種量子粒子作為量子位元,甚至是利用光子。光子主要具有吸引力,因為其可快速地遠距離傳遞訊息,並且與製造的晶片相容。然而,製造出光子觸發的量子電晶體,一直存在著挑戰性,因為需要光子之間能夠彼此交互作用,但這通常不容易發生。

發表於Science期刊,馬里蘭大學的研究員已經利用半導體晶片做出第一個單光子電晶體。在一粒鹽中大約可以裝入100萬個光子電晶體管,處理速度更快,能夠每秒處理100億個光子量子位元。光子晶片由半導體製成,其中具有許多蜂窩狀的孔隙,當光進入晶片時,會經由反彈而被侷限在孔隙中,量子點晶體則處於光強度最強的地方。此種設計類似傳統電腦的記憶裝置,當光子進入裝置時,量子點會儲存有關的訊息,並有效地調解光子間的交互作用,進而影響後來到達晶片的其它光子。

該研究團隊觀察到單光子與量子點的交互作用,可以控制第二個脈衝光在元件上的傳輸,第一個脈衝光就像一把鑰匙,打開了第二個光子進入晶片的門。如果第一個脈衝不包含任何光子,則量子點會阻擋後續的光子通過。這種行為類似於傳統的電晶體,利用小電壓控制電流通過其端子。在此,研究人員成功地利用單光子取代了電壓,並證明了光子量子電晶體可以在量子點的記憶裝置能力耗盡前,切換一次的光脈衝大約可以處理30個光子。

這種快速與高度連接的光子電晶體,將使可運行大量光子量子位元的量子電腦成為可能。(720字;圖1)


參考資料:
Semiconductor quantum transistor opens the door for photon-based computing. Science Daily,2018/7/5
A single-photon switch and transistor enabled by a solid-state quantum memory. Science,2018/7/6

 
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