對二維（2D）二硫化鎢(WS2)的新研究可能為量子計算的進步打開了大門。在發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊上研究論文中，科學家們報告了可以通過對量子數據進行編碼的方式來操縱這種超薄材料的電子屬性。這項研究涉及二硫化鎢的能谷，布法羅大學物理學家之一、論文的主要作者曾浩(音譯)將其描述為“晶體固體中電子結構的局部能量極值”。能谷與電子在材料中所具有的特定能量相對應，電子在一個能谷與另一個能谷的存在可以用來對信息進行編碼。

一個能谷中的電子可以表示二進制碼中的1，而另一個谷中的電子可以表示0。控制電子可能在哪裡找到的能力可以帶來量子計算的進步，使量子比特(量子信息的基本單位)的創建成為可能。量子位具有一種神秘的性質，它不僅能夠以1或0的狀態存在，而且能夠存在於與這兩種狀態相關的“疊加”中。新研究標誌著朝著這些未來技術邁出了一步，展示了一種在能谷中操縱能谷的新方法。曾浩博士，UB藝術與科學學院的物理學教授，與UB傑出物理學教授Athos Petrou博士和內布拉斯加大學奧馬哈大學物理學主任Renat Sabirianov博士共同領導了該項目。

移動二硫化鎢的能谷

其他合著者包括UB物理研究生Tenzin Norden，趙川(音譯)和張佩瑤(音譯)，這項研究是由國家科學基金會資助的。二維二硫化鎢是三個原子厚度的單層材料。在此配置中，二硫化鎢具有兩個能谷，兩者具有相同的能量。過去的研究表明，施加磁場可以將能谷的能量向相反方向轉移，降低一個能谷的能量，使其“更深”，對電子更具吸引力，同時提高另一個能谷的能量，使其“更淺”。如果在二硫化鎢下面放置一層薄薄的磁性硫化銪，那麼兩個山谷的能量轉移可以擴大兩個數量級。

然後，當施加1特斯拉的磁場時，能夠實現能谷能量的巨大轉移，相當於如果不存在硫化銪，可能希望通過施加大約100特斯拉的磁場來實現的效果。效果的大小非常大，就像使用磁場放大器一樣。研究人員表示這太令人驚訝了，不得不多次檢查，以確保沒有犯錯誤。最終結果呢？操縱和檢測能谷中電子的能力得到了極大的增強，這些特性可以促進量子計算中量子比特的控制。與其他形式的量子計算一樣，基於能谷的量子計算將依賴於亞原子粒子的奇特性質（在這種情況下是電子）來執行強大的計算。

作為量子計算量子比特的能谷態

電子的行為方式可能看起來很奇怪，例如，電子可以一次出現在多個地方。因此，在使用能谷中的電子作為量子位系統中1和0並不是唯一可能的狀態。一個量子比特也可以是這些狀態的任何疊加，能量子計算機同時探索許多可能性。這就是為什麼量子計算對於某些特殊任務如此強大，由於量子計算的概率和隨機性，它特別適合於人工智能、密碼學、金融建模和量子力學模擬等應用，以設計出更好的材料。然而，需要克服許多障礙，如果可擴展的通用量子計算成為現實，可能需要很多年的時間。這項新研究建立在曾和彼得魯之前的研究基礎上。

他們使用硫化銪和磁場來改變另一種二維材料：二硒化鎢(WSe2)中兩個能谷的能量。雖然WS2和WSe2相似，但它們對“能谷分裂”的反應不同。在WS2中，變得“更深”的山谷類似於WSe2中變得“更淺”的能谷，反之亦然，創造了探索這種區別如何在技術應用中提供靈活性的機會。兩種材料共有的一個特徵可能有利於量子計算：在WS2和WSe2中，填充兩個能谷的電子具有相反的自旋，這是角動量的一種形式。雖然這一特性對於創建量子位並不是必需的，但它“提供了一定的量子態保護，使它們更加穩定。

博科園｜文：Charlotte Hsu/phys

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11966-4

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