一个原子厚的半导体晶体，让量子计算机成为可能

在每一个隐藏在笔记本电脑或智能手机内部的现代微电路中，都可以看到晶体管——控制电流流动，即电子流动的小型半导体设备。如果用光子(光的基本粒子)取代电子，那么科学家们将有希望创造出新的计算系统，能够以接近光速的速度处理大量信息流。目前，光子被认为是量子计算机中传输信息的最佳方式。这些仍然是假想的计算机，根据量子世界的定律，能够比最强大的超级计算机更有效地解决一些问题。

尽管创造量子计算机没有基本的限制，科学家们仍然没有选择什么材料平台将是最方便和有效实现量子计算机的想法。超导电路、冷原子、离子、金刚石中的缺陷和其他系统现在都在竞争成为未来量子计算机的一个选择。

特别是，由于来自德国维尔茨堡大学的科学家，已经有可能提出半导体平台和二维晶体，南安普敦大学，格勒诺布尔阿尔卑斯大学，亚利桑那大学，俄罗斯科学院Ioffe物理技术研究所，还有圣彼得堡大学等。

物理学家们研究了光在只有一个原子厚度的二硫化钼(MoSe2)二维晶体层中的传播，这是世界上最薄的半导体晶体。研究人员发现，在超细晶体层中传播的光，偏振性取决于光的传播方向。这种现象是由于晶体中自旋轨道相互作用的结果。有趣的是，正如科学家们所指出的，光的偏振空间分布，结果却很不寻常——它很像一个多颜色的海洋rapana。在维尔茨堡大学斯文·霍夫林教授实验室里合成了用于实验的超细二甲苯钼晶，这是是欧洲最好的晶体生长实验室之一。

在圣彼得堡大学教授Alexey Kavokin的监督下，在维尔茨堡和圣彼得堡进行了测量。俄罗斯科学院的通讯成员，圣彼得堡大学自旋光学实验室的一名员工，Ioffe物理技术研究所的主要研究助理米哈伊尔·格莱佐夫在理论基础的发展中发挥了重要作用。圣彼得堡大学(St Petersburg University)自旋光学实验室主任阿列克谢•卡沃金(Alexey Kavokin)教授说：我预计在不久的将来，二维单原子晶体将被用来在量子器件中传输信息。经典计算机和超级计算机需要很长时间才能完成的事情，量子计算设备可以很快完成。

其中蕴含着量子技术的巨大危险——堪比原子d。例如，在量子技术帮助下，将有可能非常迅速地侵入银行保护系统。这就是为什么今天密集的工作正在进行，包括创造保护量子设备的方法：量子密码学。研究为半导体量子技术做出了贡献。此外，这项研究是光诱导(即出现在光存在下)超导性研究的一大进步。这是一种让电流通过材料电阻为零的现象。目前，这种状态无法在零下70摄氏度以上的温度下达到。然而，如果找到合适材料，这一发现将使把电传输到地球上任何地方而不造成任何损失成为可能，并创造出新一代电动机。

导读

背景

在隐藏于笔记本电脑或者智能手机中的每个现代微型电路中，你都会看到晶体管。晶体管是一种小型半导体器件，它控制电流流动，即电子的流动。

如果用光子（光的基本粒子）取代电子，那么科学家们将有望创造出新型计算系统，这种系统将能够处理以接近光速流动的大量信息。

目前，在量子计算机中，光子被认为是传递信息的最佳方案。然而，这些仍然只是假想计算机。它们按照量子世界的规律运作，并且能比大多数最强大的超级计算机更加高效地解决某些问题。

虽然创造量子计算机没有基本限制，但是科学家们仍然没有选择出哪种材料平台可以最方便且有效地实现量子计算机概念。目前，超导电路、冷原子、离子、钻石中的缺陷以及其他系统，为了被未来量子计算机选中而展开竞争。

创新

这一次，科学家们提出了半导体平台和二维晶体。近日，维尔茨堡大学（德国）、南安普顿大学（英国）、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（法国）、亚利桑那大学（美国）、西湖大学（中国）、俄罗斯科学院约飞物理技术研究所、圣彼得堡国立大学的科学家们组成的国际科研团队研究了光子是如何在世界上最薄的半导体晶体平面中传播的。结果是，空间中的光线偏振分布类似于三色的海螺。物理学家们的研究成果为创造单原子光学晶体管（量子计算机的组件）开辟了道路，有望实现光速计算。研究论文发表在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上。

技术

研究人员研究了光线在二硒化钼（MoSe2）二维晶体层中的传播。二硒化钼只有一个原子的厚度，是世界上最薄的半导体晶体。研究人员发现，偏振光在这种极细晶层中的传播取决于光线传播的方向。这个现象是由于晶体中的自旋轨道相互作用引起的。有意思的是，正如科学家们所指出的，这幅图展示的偏振光空间分布非同寻常，看上去像五彩缤纷的的海螺。

实验中所用的非常精细的二硒化钼晶体是在维尔茨堡大学 Sven Höfling 教授实验室中合成的。它是欧洲最佳的晶体生长实验室之一。在圣彼得堡国立大学教授 Alexey Kavokin 的监督下，科学家们在维尔茨堡和圣彼得堡进行测量。Mikhail Glazov 在开发理论基础中扮演了重要角色。他是俄罗斯科学院的通信成员、圣彼得堡国立大学自旋光学实验室的雇员、约飞物理技术研究所的首席研究助理。

价值

圣彼得堡国立大学自旋光学实验室的领头人 Alexey Kavokin 教授表示：“我预见，在不久的将来，二维单原子晶体将用于量子设备中的信息传输。对于经典的计算机与超级计算机需要花很长时间才能完成的任务来说，量子计算设备完成起来非常快。因此，量子技术有着巨大的危险，可以与原子d的危险相提并论。例如，在量子技术的帮助下，非常迅速地非法入侵银行保护系统将成为可能。这就是如今密集的研究工作在进行的原因所在。这些工作包括创造保护量子设备的手段，即量子加密技术。而我们的工作主要为半导体量子技术作出了贡献。”

此外，正如科学家们所提到的，这项研究是朝着研究光诱导（即出现在光线下）的超导性迈出的重要一步。当材料允许电流以零电阻通过时，超导现象就发生了。目前，这种状态无法在零下70摄氏度以上的温度条件下实现。可是，如果找到合适的材料，这项发现有可能将电力零损耗地传输到地球上的任何位置，并创造出新一代的电动马达。应该被记住的是，2018年3月，Alexey Kavokin 的研究团队曾预测，含有超导金属（例如铝）的结构，有助于解决这个问题。如今，圣彼得堡国立大学的科学家们正在寻找途径获取他们理论的实验证据。

参考资料

【1】http://english.spbu.ru/news/3015-three-colour-rapana-physicists-have-let-light-through-the-plane-of-the-world-s-thinnest-semiconductor-crystal

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