如何开启低功耗量子运算的潜力？“激子”来解决

【本文为EET电子工程专辑 原创文章】

瑞士的一个实验室发现了一种利用雷射来改变和调节激子(Excitons)在2D材料中的光极化、波长和强度的方法，进而提供新一代晶体管更少的能量损失和散热，开启了低功耗量子运算的潜力。

当一个电子吸收光并进入更高的能阶(energy level)，或是固体量子物理学中所说的“能带(energy band)”时，就会产生激子。这个激发的电子在它以前的能带中留下了一个“电洞(electron hole)”，而由于电子有负电荷，电孔有正电荷，这一对电子与电洞被一种称为库仑力(Coulomb force)的静电力结合在一起，就称为激子。

去年，洛桑联邦理工学院(EPFL)纳米电子和结构实验(LANES)的科学家们已开发出一种方法来控制室温下的激子流动。在最新的发展中，他们发现了这些准粒子(quasiparticle)的新特性，这些特性可以产生更节能的电子设备，并且找到了一种方法来控制一些特性，并改变它们产生的光极化。科学家的发现催生了一个称为能谷电子(valleytronics)的新研究领域，才刚发表在自然光子学期刊(Nature Photonics)上。

激子只存在于半导体和绝缘材料中，它们特殊的属性(property)很容易在2D材料中获得，其基本结构为几个原子的厚度。这类材料最常见的为碳和钼，当这种2D材料结合在一起时， 它们往往表现出两个材料本身都不具备的量子特性。

激子装置的示意图结构。(图片来源：EPFL)

因此，EPFL的科学家结合二硒化钨(tungsten diselenide，WSe2)与二硒化钼(molybdenum diselenide;MoSe2)，发表一系列可能应用于高科技的新特性。使用雷射产生具有圆形极化(circular polarization)的光束，并稍微移动两个2D材料的位置，进而形成一个摩尔纹(moiré pattern)，能够使用激子来改变和调节光的极化、波长和强度。

这是透过操控激子的特性来实现的，它们的“谷”与电子和电孔的极端能量有关。这些“谷”——即能谷电子的名字来源——可以达到纳米等级的信息编码和处理。EPFL实验室的首席科学家Andras Kis表示：“连接几种结合此技术的设备，将可提供我们一种新的处理资料方式。要在一个特定的设备中改变光的极化，可以在第二个设备中选择一个特定的谷，且此两个设备互相连接，这类似于从0切换到1或1切换到0，这是运算中使用的基本二进制逻辑。”

新加坡的一个研究团队也在研究能谷电子学的潜力，特别是它可能的量子运算用途。新加坡研究员Johnson Goh及其来自A * Star材料研究与工程研究所的团队，希望在2019年初展示他们第一个概念验证设备，这些设备使用能谷电子来做简单的事情，例如打开或者关闭设备。在最近的一份报告中，Goh表示，能谷电子和2D材料的结合，将使纳米电子和纳米光子设备的新功能具有硅基半导体技术无法实现的功能，特别是它将允许2D材料中的电子传输以比利用传统设备消耗更少的能量。

Goh和他的同事们希望解决这项技术商业化的主要障碍。电子产品的大规模生产将需要在至少4英吋的晶圆上形成厚度均匀、具有电气性能的2D材料。目前正在考虑采用化学气相沉积(chemical vapor deposition)制造大面积的2D半导体材料。他说，如果将能谷电子置于迭加状态(superposition states)，可以产生一个量子位(qubit) ——量子运算的基本单位。他补充说，这可能是能谷电子的最大发展领域，尤其是低功耗边缘运算，最后是量子运算。

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