Elektron-foton small-talk kan have stor indflydelse på kvanteberegning

I et trin, der bringer siliciumbaserede kvantecomputere tættere på virkeligheden, forskere ved Princeton University har bygget en enhed, hvor en enkelt elektron kan videregive sin kvanteinformation til en lyspartikel. Lysets partikel, eller foton, kan derefter fungere som budbringer til at overføre oplysningerne til andre elektroner, skabe forbindelser, der danner kredsløbene i en kvantecomputer.

Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab og udført på Princeton og HRL Laboratories i Malibu, Californien, repræsenterer en mere end fem års indsats for at opbygge en robust evne for en elektron til at tale med en foton, sagde Jason Petta, en Princeton -professor i fysik.

"Ligesom i menneskelige interaktioner, for at have god kommunikation skal en række ting træne - det hjælper at tale det samme sprog og så videre, "Sagde Petta." Vi er i stand til at bringe energien fra den elektroniske tilstand i resonans med lyspartiklen, så de to kan tale med hinanden. "

Opdagelsen vil hjælpe forskerne med at bruge lys til at forbinde individuelle elektroner, der fungerer som bits, eller mindste dataenheder i en kvantecomputer. Kvantecomputere er avancerede enheder, der, når det blev indset, vil være i stand til at udføre avancerede beregninger ved hjælp af små partikler som elektroner, som følger kvanteregler frem for hverdagens fysiske love.

Hver bit i en daglig computer kan have en værdi på 0 eller 1. Quantum bits - kendt som qubits - kan have en tilstand på 0, 1, eller både en 0 og en 1 samtidigt. Denne superposition, som det er kendt, gør det muligt for kvantecomputere at tackle komplekse spørgsmål, som nutidens computere ikke kan løse.

Enkle kvantecomputere er allerede blevet fremstillet ved hjælp af fangede ioner og superledere, men tekniske udfordringer har bremset udviklingen af ​​siliciumbaserede kvanteenheder. Silicium er et meget attraktivt materiale, fordi det er billigt og allerede er meget udbredt i nutidens smartphones og computere.

Forskerne fangede både en elektron og en foton i enheden, justerede derefter elektronens energi på en sådan måde, at kvanteinformationen kunne overføres til foton. Denne kobling gør det muligt for foton at transportere informationen fra en qubit til en anden placeret op til en centimeter væk.

Kvantoplysninger er ekstremt skrøbelige - de kan gå tabt helt på grund af den mindste forstyrrelse fra miljøet. Fotoner er mere robuste mod afbrydelse og kan potentielt bære kvanteinformation ikke kun fra qubit til qubit i et kvantecomputerkredsløb, men også mellem kvantechips via kabler.

For at disse to meget forskellige typer partikler taler til hinanden, imidlertid, forskere måtte bygge en enhed, der gav det rigtige miljø. Først, Peter Deelman på HRL Laboratories, et virksomheds laboratorium for forskning og udvikling ejet af Boeing Company og General Motors, fremstillede halvlederchippen af ​​lag af silicium og silicium-germanium. Denne struktur fangede et enkelt lag elektroner under overfladen af ​​chippen. Næste, forskere ved Princeton lagde små ledninger, hver kun en brøkdel af bredden af ​​et menneskehår, på tværs af toppen af ​​enheden. Disse ledninger i nanometerstørrelse tillod forskerne at levere spændinger, der skabte et energilandskab, der kunne fange en enkelt elektron, begrænser det i et område af silicium kaldet en dobbelt kvantepunkt.

Forskerne brugte de samme ledninger til at justere energiniveauet for den indespærrede elektron til at matche fotonens, som er fanget i et superledende hulrum, der er fremstillet oven på siliciumskiven.

Inden denne opdagelse, halvleder -qubits kunne kun kobles til nabocqubits. Ved at bruge lys til at parre qubits, det kan være muligt at videregive information mellem qubits i modsatte ender af en chip.

Elektronens kvanteinformation består ikke af andet end placeringen af ​​elektronen i en af ​​to energilommer i den dobbelte kvantepunkt. Elektronen kan optage den ene eller den anden lomme, eller begge samtidigt. Ved at kontrollere spændingerne på enheden, forskerne kan styre, hvilken lomme elektronen optager.

"Vi har nu evnen til faktisk at overføre kvantetilstanden til en foton, der er begrænset i hulrummet, "sagde Xiao Mi, en kandidatstuderende i Princetons Institut for Fysik og første forfatter på papiret. "Dette er aldrig blevet gjort før i en halvleder, fordi kvantetilstanden gik tabt, før den kunne overføre sine oplysninger."

Enhedens succes skyldes et nyt kredsløbsdesign, der bringer ledningerne tættere på qubit og reducerer interferens fra andre kilder til elektromagnetisk stråling. For at reducere denne støj, forskerne satte filtre i, der fjerner fremmede signaler fra ledningerne, der fører til enheden. Metaltrådene skærmer også qubit. Som resultat, qubits er 100 til 1000 gange mindre støjende end dem, der blev brugt i tidligere forsøg.

Til sidst planlægger forskerne at udvide enheden til at arbejde med en iboende egenskab ved elektronen kendt som dens spin. "På sigt vil vi have systemer, hvor spin og ladning er koblet sammen til en spin -qubit, der kan styres elektrisk, "Sagde Petta." Vi har vist, at vi sammenhængende kan koble en elektron til at tænde, og det er et vigtigt skridt i retning af at koble spin til lys. "

David DiVincenzo, en fysiker ved Institute for Quantum Information i RWTH Aachen University i Tyskland, der ikke var involveret i forskningen, er forfatter til et indflydelsesrig 1996 -dokument, der beskriver fem minimale krav, der er nødvendige for at oprette en kvantecomputer. Af Princeton-HRL-arbejdet hvor han ikke var involveret, DiVincenzo sagde:"Det har været en lang kamp at finde den rigtige kombination af betingelser, der ville opnå den stærke koblingstilstand for en enkelt-elektron qubit. Jeg er glad for at se, at der er fundet et område med parameterrum, hvor systemet kan gå for første gang ind på stærkt koblende område. "