【产通社，8月3日讯】迄今为止，用于量子计算机的一些最有前途的材料和系统包括冷却到接近绝对零度的超导材料，以及电场和激光阱中的漂浮离子和原子。如果有一种方法能像传统的晶体管和逻辑门一样，更容易地构建量可靠的量子位(qubits)和量子电路，那么现有硅的价值无疑会更加可扩展和方便。

目前，一种称为Q-silicon的新型硅可能就是入场券。北卡罗来纳州立大学（NCSU）的研究人员在《材料研究快报》杂志上报告了一种材料，不仅适合量子计算，也适合锂离子电池。


Q-silicon的特点


硅通常有三种形式：晶体，其中原子具有有序结构；无定形的，原子随机分布；和多晶，其中较小的晶体单元随机连接。在晶体中，硅原子就像钻石中的碳原子一样排列紧密，四个原子组成了金字塔的四个角。

Q-silicon具有那些类金刚石金字塔的随机排列，导致更密集的原子和更少的自由空间。NCSU大学材料科学与工程教授Jay Narayan和他的同事们用纳秒级的高功率激光脉冲轰击非晶硅，然后在五分之一微秒内冷却，从而制造出Q-silicon。

Q-silicon足够快，以至于传统热力学无法将原子重新排列成硅的三种自然存在形式之一。“要愚弄自然，必须克服热力学约束，所以你必须非常非常快地做到这一点，”Narayan说。


Q-silicon如何用于量子位或电池？


研究显示，Q-silicon揭示了普通硅所没有的特性。

首先，它在室温下是铁磁性的。铁磁性，即当材料被置于外部磁场中时会被磁化并保持磁化状态的性质。铁磁性通常存在于铁和镍等金属中，源于固体中原子的整体性质。它们的磁偶极子可以在外部磁场的作用下排列，一旦磁场消失，它们就会保持原来的位置。但是，如果这些材料中的单个电子可以被隔离，这些电子的自旋——它们本身可以是向上或向下的，或者是两者的中间量子组合——也可以被用作量子比特，作为编码量子信息的一种方式。

碳和硅中的偶数电子通常意味着它们的电荷都以相反的自旋成对存在，这抵消了彼此的磁场。因此，工程师和材料科学家通常不会选择保留和操纵硅中的单个电子自旋。Narayan说，铁磁性需要单个电子或不成对自旋。然而，“随着快速熔化和冷却，我们能够创造出具有铁磁性的不成对自旋，”他说。“这个想法是，如果硅可以有不成对的自旋，那么你就可以在那个自旋中存储信息。”

利用自旋具有挑战性，人们已经尝试读取植入硅中的磷原子的自旋状态，作为通往量子计算机的道路。Narayan说，Q-silicon可以更容易地利用硅原子中的自旋。“你现在可以创造量子计算机和各种其他有趣的应用，因为Q-silicon在室温下是铁磁性的。”

此外，当掺入硼原子时，研究人员报告说Q-silicon变成超导体。已知的超导体通常只在非常低的温度下显示它们的超导能力，因此任何室温超导体的报告都面临怀疑。

迄今为止，在环境压力下，温度最高的超导体会在130开尔文以下变成超导。Narayan和他的同事说，掺硼的Q-silicon在174 K转变为超导。

Narayan说，研究人员计划在不久的将来展示基于Q-silicon的量子计算机。但是他们也希望开发这种材料在电池应用方面的潜力。“我们将创造高功率和高效率的锂离子和钠离子电池，”他说。

为了将Q-silicon用于电池，Narayan表示，他们将把Q-silicon与他们在2015年发现的另一种相关材料Q-carbon结合起来。研究人员说，这两种材料比今天电池中使用的石墨阳极吸收更多的锂离子，目前石墨的电流储存能力只有每克200mA。相比之下，Q-carbon的容量为500mA/g，Q-silicon的容量为1000mA/g。“如果将它们结合在一起，就成为锂离子电池的最佳阳极。”

目前，研究人员已经与德国公司Koening Systems合作成立了一家名为Q-Power Batteries的初创公司。查询进一步信息，请访问官方网站http://spectrum.ieee.org/silicon-quantum-computing。（Robin Zhang，张底剪报）