激子开启低功率量子运算潜力

瑞士洛桑联邦理工学院的科学家们近期在实验室里取得了一项重大突破。他们发现了一种利用激光改变和调节二维材料中激子光极化、波长和强度的方法，这一发现为新一代晶体管带来了更少的能量损失和散热问题，开启了低功耗量子计算的潜力之门。

激子，这个在固体量子物理学中的概念，当电子吸收光并进入更高的能阶或所谓的“能带”时产生。这个被激发的电子在其原来的能带中留下了一个“电洞”，由于电子带有负电荷，电洞带有正电荷，这两者的结合被静电力库仑力结合在一起，形成了所谓的激子。

在的研究中，科学家们已经找到了控制室温下激子流动的方法，并进一步发现了这些准粒子的新特性，这些特性可以产生更节能的电子设备。他们的研究催生了一个名为“能谷电子学”的新研究领域，该领域的特性已发表在《自然光子学》期刊上。

激子仅在半导体和绝缘材料中存在，它们的特殊属性在二维材料中更容易获得，这些材料的基本结构只有几个原子的厚度。碳和钼是最常见的这类材料。当这些二维材料结合在一起时，它们会表现出只有两种材料结合时才会出现的量子特性。

EPFL的科学家们结合了二硒化钨和钼二硒化物的特性，通过激光产生具有圆形极化的光束，稍微移动两个二维材料的位置，形成一个摩尔纹。通过这个摩尔纹，他们能够改变和调节光的极化、波长和强度。这一切都是通过操控激子的特性来实现的，特别是与电子和电洞能量相关的“谷”。

首席科学家Andras Kis表示，通过连接几种结合此技术的设备，我们可以提供一种新的数据处理方式。在一个设备中改变光的极化，可以在另一个设备中选择一个特定的谷。这两个设备的互相连接类似于在二进制逻辑中进行0和1的切换，这是运算的基本二进制逻辑。

不仅是EPFL的科学家在研究能谷电子学的潜力，新加坡的一个研究团队也在其可能的量子计算用途。他们希望解决这项技术商业化的主要障碍，使纳米电子和纳米光子设备具有新的功能，特别是在低功耗边缘计算方面，这是量子计算的一个重要领域。首席研究员Johnson Goh表示，能谷电子和二维材料的结合将允许电子在这些材料中传输时消耗更少的能量。如果将能谷电子置于叠加状态，可以产生一个量子位——量子计算的基本单位。这可能是能谷电子的最大应用领域。

这一发现为我们打开了新的科技大门，未来的研究和开发将有望推动电子设备向更高效、更环保的方向发展。这一领域的未来充满了无限可能和挑战，我们期待着科学家们在这个领域取得更多的突破和进展。