半导体“混血”纳米设备可控制量子比特自旋

美国科学家使用其研发的独特的金属—半导体“混血”纳米设备，演示了一种新的光和物质的相互作用，且在仅为几纳米的胶体纳米结构中首次实现了对量子比特自旋进行完全的量子控制，这些新进展朝着制造出量子计算机迈开了更加关键的一步。该研究成果发表在7月1日的《自然》杂志上。

马里兰大学纳米中心的物理学家欧阳敏教授领导的研究团队表示，新发现将加速推进与量子计算和能源生产有关的纳米设备的出现，比如，研发出更高效的光伏电池，或促进诸如生物标志物等其他基于光与物质相互作用的技术的发展。实际上，该研究团队已经开始使用这种技术来研发新的、转化效率更高的光伏电池。

欧阳敏团队使用化学热力学方法，在溶液中制造出了一系列不同的“混血”组合物，每一个组合物都有一个单晶半导体壳，里面包裹着金属。在最新的研究中，研究人员使用这些金属/半导体“混血”而成的纳米设备，在实验室中演示了一个等离子（金属发出的）和一个应激子（半导体壳发出的）之间的“可调共振耦合”，结果，这种耦合加强了光学斯塔克效应（60多年前，科学家研究光和原子之间的相互作用时，发现了该效应，该效应表明，可以用光来改变原子的量子状态），因此，有望通过光来控制量子状态。

美国国家标准与技术研究院原子物理分部的加尼特·布莱恩表示，过去的几年中，很多研究人员正在研究金属和半导体组成的异种纳米设备，并使用这种纳米设备作为“纳米天线”与半导体纳米设备以及光发射器内外的光进行更有效的耦合。

布莱恩表示，欧阳敏领导的这项研究表明，金属纳米天线周围环绕着半导体外壳这样的纳米设备能够完成同样的目标，而且，这样的结构简单易制造，应用范围也很广。最重要的是，科学家能够通过操纵这种光和物质的耦合，对半导体纳米发射器进行相干量子控制，而量子信息的处理过程中必须实施这种控制。

欧阳敏团队认为，使用其研发出的晶体—金属“混血”纳米设备，他们能够完成这种相干量子控制。而且，新纳米设备也对晶体外延生长大有裨益。晶体外延生长一直是制造单晶半导体和相关设备的主要方式，新方法可避免限制晶体外延生长的两个关键因素：沉积半导体层的厚度和晶格匹配。

马里兰大学的科学家指出，新方法除了增强其“混血”纳米结构的能力外，并不需要传统的晶体外延生长所需的洁净室，也不需要在真空中才能产生的物质，因而有利于大规模生产。