美國斯坦福大學教授兼NTT客座研究員山本喜久等人日前成功試製出了一種新型量子電腦固體奈米元件“量子寄存器”，其中使用了原子量為29的硅(29Si)同位素所具有的原子核自旋特性。要想實現量子電腦，位於量子寄存器內部、以固定頻率振動的波必須以一定的相位持續振動100萬次～1000萬次。山本等人的成果大大突破了這一目標。室溫下獲得了3000萬次的振動次數。其中的關鍵在於使用“同位素”，在由無原子核自旋的原子量為28的Si(28Si)和原子量為30的Si(30Si)組成的基礎材料上巧妙排列29Si。
該項研究屬於日本科學技術振興事業團的“量子糾纏(Quantum Entanglement)項目”，由斯坦福大學和法國國立科學研究中心負責實施。山本于2002年9月12日在美國DARPA主辦的會議上發表了這項成果。在接受本刊採訪時，山本公開了研究中使用的材料的具體情況。
在處理“1”“0”信號的原電腦中，主要通過配合負責計算的CPU(中央處理器)和存儲數據的存儲元件進行資訊處理。與此相對，在通過帶有“1”“0”量子資訊的“qubit”處理資訊的量子電腦中，量子寄存器同時具有計算和存儲的兩種功能。目前日美歐等國正在進行使用各種類型量子寄存器的開發，比如液體分子的原子核自旋、在真空中捕獲的離子及原子、光子的偏向、固體元件(半導體中的電子自旋、核磁共振、超導體中的電荷及磁束)等。山本等人發表的是固體元件的一種。
量子寄存器的性能參數，除相位一定的波的振動次數外，還有qubit壽命的“脫散(Decoherence)時間(T2)”，T2越長性能就越高。順便提一下，此前發表的最長的T2為使用超導元件在50mK的超低溫下測定的500納秒。山本等人使用單結晶硅在300K(27℃)的室溫下連續振動了3000萬次，這時該元件的T2達到了0.4秒。大約相當於使用超導元件時的80萬倍。
其實，在獲得此次成果之前的今年夏季，山本等人在鑽石結構的硅單結晶底板上使用蒸鍍法形成了Si(111)7 7這一特殊結晶結構的1維原子鎖，並測出T2為1毫秒。當時的T2已達超導元件的2000倍。而此次，與使用Si的1維原子鎖相比，進一步將T2延長了400倍。
試驗中使用的材料為：在由無原子核自旋的28Si及30Si構成的基礎材料中，混合了具有原子核自旋的29Si的塊狀單結晶。使用了兩種類型的單結晶：一種是29Si佔5%、28Si和30Si共佔剩餘95%的單結晶，另一種則是29Si佔95%、28Si和30Si共佔剩餘5%的單結晶。均為Si的塊狀單結晶，材料整體呈鑽石結構。向這些材料照射脈衝狀微波的結果，兩種試料在T2和振動次數方面均同樣獲得了較高的數值。關於照射微波的目的，山本對本刊記者表示：“目的是為了分割相鄰的29Si之間的鍵，延長T2”。“如果29Si之間形成共價鍵，那麼相互的原子核自旋就會互相干擾，振動相位就會發生紊亂”(山本)。
雖然在波的振動次數和qubit的壽命方面達到了預期目標，但山本表示：“量子電腦的開發只是剛剛開始”。為了進一步提高基本特性，山本呼籲材料研究人員“綜合運用同位素工學與結晶成長技術，在28Si中形成各種各樣的29Si自旋結構”。下一個需要解決的重大課題是：在量子計算之前實現原子核自旋狀態的初始化。山本的計劃是在今後一年內，開發出使用鐳射進行初始化的技術。
日經BP社 2002年10月3日
