《科学》：扫描隧道显微镜操控单原子进行量子计算新方法

黏附在STM尖端的铁原子与一个钛量子比特（蓝色）“对话”，用它读取和写入其他两个量子比特（红色）的信息，并让它们执行基本的量子计算。
图片来源：量子纳米科学中心  

    韩国、日本、西班牙和美国等国科学家在5日出版的最新一期《科学》杂志上发表论文称，他们通过从扫描隧道显微镜（STM）的尖端发射微波信号来控制钛原子，使这些钛原子执行了量子计算。研究人员表示，尽管这一量子计算平台在短期内不太可能与目前的主流量子计算方法媲美，但可用于研究化学元素甚至分子的量子特性。

    量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单位进行计算的新型计算模式，即利用量子叠加和纠缠等物理特性，以微观粒子构成的量子比特为基本单位，通过量子态的受控演化实现计算处理。

    在最新研究中，韩国基础科学研究所安德烈亚斯·海因里希团队研究了自然界中“原始”的量子比特——电子的自旋，测量其方向只能产生两个可能的值：“向上”或“向下”，对应经典比特的“0”和“1”。但测量前，电子自旋存在于一系列可能的叠加态中。

    研究人员首先将钛原子散射在由氧化镁制成的平坦表面上，然后使用STM探针的尖端移动钛原子，将其中3个原子排列成三角形。利用STM尖端发射的微波信号，研究人员能控制其中一个钛原子中单个电子的自旋。通过适当调整微波的频率，它们还可使微波的自旋与其他两个钛原子的自旋相互作用。

    借助这一方法，研究团队创建了一个简单的由两个量子比特执行的量子运算，并读取出结果。整个操作历时几纳秒，运算速度快于大多数其他类型的量子比特。

    研究人员表示，通过操纵单个原子和分子组合中的自旋，可将这项技术扩展到约100个量子比特，但再进行扩展将变得极其困难。不过，最新进展更多地应用于基础科学领域。此外，未来多台STM量子计算机可能互联，组成一台更大的计算机。

（原标题：操控单原子构建新型量子计算平台 可用于研究化学元素甚至分子的量子特性）