二硫化鎢在量子計算領域有什麽作用？
在大數據和雲計算的發展趨勢下，對算力的需求也在不斷增加，有着高速運行速度以及超強的信息處理能力的量子計算機成爲科研人士關注的重點。最近，一項關于量子編碼的研究論文登上了《自然通訊》期刊，内容涉及了在二硫化鎢這種二維半導體材料中電子能谷的研究。這項研究展示了一種在能谷中操控能谷的新方法，在量子計算研究領域跨出了重要的一步。
在量子計算領域，包括了兩個方面的研究方向，與傳統計算機相似，量子計算機在軟件方面包括了量子算法、量子編碼等解決方案，而硬件方面包括量子晶體管、量子儲存器以及量子效應器等。近年來，在量子計算硬件領域已有重大突破，而量子算法以及編碼領域的研究也在逐步發展中。
而提到量子計算編碼，離不開“能谷”這個概念。能谷，在物理領域的解釋中，是指電子晶體動量空間中的局部極值，或者簡單來講，是指電子内在的離散自由度。由于電子在離散能谷中呈非平衡分布，因此可以利用這種特性，實現一種新的信息編碼方式。基于固體動量空間中分立值的不同來進行數據存儲，是電子學未來的重要發展方向。
近年來，在量子計算研究領域，二維超薄材料成爲能谷物理學研究者們的重點關注對象。而在這類二維超薄材料中，石墨烯是其中的重要代表。這種六角蜂窩狀晶格材料的動量空間中，固有地存在離散不等價的簡并能谷K和K’ ，這一特性爲電子能谷的調控提供了很好的實驗條件。對此，研究人員提出了大量的實驗方案和設想，試圖實現對電子能谷的調控。
半導體型六族過渡金屬二硫化物(group-VI transition metal dichalcogenides，簡稱TMD)，其中的钼或者鎢與硫、硒或者碲的組合，成爲當前研究能谷物理的集中平台，而這次發表論文的研究對象便是二硫化鎢。二維二硫化鎢是三個原子厚度的單層材料。二硫化鎢具有兩個能量相同的能谷。此前的研究表示，可以通過施加磁場的方式，将能谷的能量向相反方向轉移。簡單來講，就是降低一個能谷的能量，使其對電子更具吸引力，同時提高另一個能谷的能量。
研究顯示，在二硫化鎢下放置一層磁性硫化铕，兩個能谷的能量轉移擴大到了兩個數量級。在這種條件下，若施加1特斯拉的磁場，能夠實現能谷能量的巨大轉移。而如果不存在硫化铕，則可能希望通過施加約100特斯拉的磁場來實現這樣的效果，就像使用磁場放大器一樣。操縱和檢測能谷中電子的能力得到了極大的增強，而這樣的特性對于量子計算中對量子比特的控制有着極大的促進作用。
值得注意的是，這次發表的新研究建立在曾浩和彼得魯之前的研究基礎上。此前他們的實驗對象有所不同，是使用硫化铕和磁場來改變二硒化鎢(WSe2)中兩個能谷的能量。雖然這兩次研究所使用的WS2和WSe2有着相似的特性，但它們對“能谷分裂”卻表現出恰好相反的反應。這樣的實驗結果，爲研究者提供了探索兩者的區别，以及在技術應用中更具靈活性的機會。兩種材料共有的一個特征爲量子計算研究的發展提供了新的可能性：在WS2和WSe2中，填充兩個能谷的電子具有相反的自旋，這是角動量的一種形式。雖然這一特性對于創建量子位并不是必需條件，但它提供了一定的量子态保護，使它們更趨向穩定。
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