量子计算亮出曙光

去年采访IBM一位科学家时，他明确表示在目前的电子计算机不能继续之后，基于电子自旋的量子计算将是可能的替代之一。当时的感觉是半信半疑，现在看来，这种预测很快将能够被验证。最近，支持量子计算的模块研究陆续取得进展。一款能够进行简单存储的电子自旋的设备已经开发出来了。另外，通过电压控制的而不是磁场控制的电子自旋设备已经有了原型，这为量子计算奠定了基础。

现在，在半导体领域，有多种替代现在所用硅材料和原理的方案，不过，量子计算以电子自旋的方式实现的计算和存储是最有可能在不久的将来便实现的。这种电子自旋技术可以通过目前的工艺在硅片上实现，而不需要新的材料; 以替代材料出现的炭纳米管等材料却从根基上改进电子计算机，并且与现在的计算机一样面临功耗问题。

电子自旋是什么

电子自旋无疑要方便和有效得多。它通过控制电子自旋的方向，从而确定在某个受控的方向上它的磁场的不同，以此决定计算机的“0”和“1”。这种方式与现在的计算方式大相径庭，目前的两种状态，是仰赖电压的高低，这就导致在信号转换的过程中会消耗大量的与计算和存储无关的能量，从而散发大量的热量，这将给未来的处理器设计带来致命影响。

相反，电子自旋的存储和计算只需要监测电子旋转的方向。因为在电子周围会伴随有磁场产生，这个磁场的方向可能与电子自旋方向一致或者相反，量子理论认为两种状态都可能出现，对于未来的量子计算相当重要。

由于电子形成磁场，因而很容易想到通过磁场来控制电子的自旋，这是目前最容易想到的方式。加利福尼亚大学首先把控制电子自旋的电路大幅度缩小，他们开发出了一系列相互连接的逻辑门，每个门在半导体层上有5个磁场接触点，每个接触点的磁场状态由电子自旋决定，从而形成“0”和“1”，以至于构成信息。通过在四个磁场点和半导体之间移动电子，可以进行逻辑操作，第五个磁场点就可以读取最后的结果。

加利福尼亚大学的研究大大缩减了控制电子自旋的电路尺寸，最重要的是，它可以随意编程而不影响性能，可以由此开发出一种灵活性很强的逻辑阵列，从而适应各种应用。这让量子计算步入了更现实的阶段，但这显然不是终极阶段，通过磁场的感应实现的电子自旋控制显然无法通过现有技术达到目的。

Delft大学研究出了另外一种设备，这种设备可以利用电场控制电子自旋，从而让电子自旋控制进入更实用的阶段。根据相对论，尽管电子周围的是磁场，但是它能够感受到电场的作用，Katja Nowack研究员、Frank Koppens博士和Yuli V. Nazarov教授让电子通过一个快速变动的电场，这可以改变电子自旋的方向。与通过磁场方式实现的控制相比，它更容易控制，也更容易单独控制各种电子。

科学家把这个空间叫做Trap，它们用金构筑了两个电极，通过在两个电极直接持续随时间连续变动的电压，可以构成一个圆形的Trap，电子就以这个Trap为中心呈圆环形运动。

电子自旋存储容量提高1000倍

电子自旋将带来巨大变化。通过这个形式构成的存储设备容量将大大增加。现在的固态存储设备以充电的电容作为存储的单元，存储的数据根据电容充电的状态决定，因而读写都是要消耗大量电能的，而且电容和控制电路需要消耗大量的空间，从而在单位面积内大大限制了存储容量。

根据IBM陈自强科学家的介绍，一旦电子自旋得以成功实现，固态存储的容量将比目前提高1000倍。由于电子自旋控制的是单个电子的状态，而不是多个电子的带电量，加上电子普遍存在各种物体上，通过目前的半导体工艺即可以达到目标，它的存储密度达到原子级别。

现在的固态存储有读写寿命，尤其是电容的充放电有次数限制，并且消耗大量的能量，还不耐摔; 而电子自旋的存储设备显然更能容忍复杂的环境，也具有更长的寿命。

这种进步最有可能被用在集成的处理器内部，以这个容量存储水平，恐怕以后的处理器要做成全缓存方式了……这着实令人期待。