Undersøgelse af elektronbevægelser på helium kan påvirke fremtiden for kvanteberegning

Fremtiden for kvantecomputere er et varmt emne, ikke kun for eksperter, men også i mange kommercielle og statslige agenturer. I stedet for at behandle og gemme information som bits i transistorer eller hukommelse, som begrænser information til det binære "1" eller "0, "kvantecomputere ville i stedet bruge kvantesystemer, såsom atomer, ioner, eller elektroner, som "qubits" til at behandle og gemme "kvanteinformation" i, som kan være i et uendeligt antal kombinationer af "1 og 0." Store teknologiselskaber, som Google, Microsoft, Intel, og IBM investerer massivt i relaterede projekter, der kan føre til realisering af kvantecomputeren og teknologierne. På samme tid, universiteter og forskningsinstitutter rundt om i verden forsker i nye kvantesystemer, kan bruges til kvanteberegning. Quantum Dynamics Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), har for nylig gjort nye fund om elektroner, der flyder på overfladen af ​​flydende helium, et kvantesystem, som kan være en ny kandidat for kvanteberegning til virkelighed. Disse resultater blev offentliggjort i Fysisk gennemgang B .

Et af de almindelige problemer i kvanteberegningsforskning ved hjælp af faste stoffer er, at det er meget vanskeligt at lave helt identiske qubits, fordi iboende defekter eller urenheder i de anvendte materialer tilfældigt påvirker hver enkelt qubit-ydelse. "Vores motivation for at forfølge et flydende heliumsystem er, at det er iboende rent og fri for defekter, som teoretisk giver mulighed for at skabe helt identiske qubits. Derudover vi kan flytte elektroner i dette flydende heliumsystem, hvilket er svært eller næsten umuligt i andre kvantesystemer, " forklarede prof. Denis Konstantinov, leder af Quantum Dynamics Unit. Derfor, det antages, at adoption af dette system til kvanteberegning kan bringe hele feltet til det næste niveau.

Brug af elektroner på en flydende heliumoverflade til kvanteberegning kræver isolering af individuelle elektroner på en heliumoverflade og styring af deres kvantefrihedsgrader, enten bevægelse eller spin. Det kan også kræve bevægelse af elektroner til forskellige steder, derfor er det også vigtigt at forstå fysikken i samspillet mellem elektroner og heliumoverfladen. Det blev tidligere opdaget, at elektroner på helium kan danne en todimensionel krystal, og nogle unikke fænomener opstår, når denne krystal bevæger sig langs heliumoverfladen, på grund af samspillet mellem elektroner og overfladebølger. OIST-forskerne, imidlertid, er de første til at undersøge, hvordan disse fænomener afhænger af størrelsen af ​​elektronkrystallen. For at teste dette, Dr. Alexander Badrutdinov, Dr. Oleksandr Smorodin og OIST ph.d.-studerende Jui-Yin Lin, bygget en mikroskopisk kanalanordning, der indeholdt en elektronfælde indeni for at isolere en krystal af et relativt lille antal elektroner. Denne krystal vil derefter blive flyttet hen over den flydende heliumoverflade ved at ændre det elektrostatiske potentiale af en af ​​enhedselektroderne. Denne bevægelse vil blive detekteret ved at måle billedladninger, som induceres af de bevægelige elektroner, strømmer gennem en anden elektrode ved hjælp af en kommercielt tilgængelig strømforstærker og lock-in detektor.

"Denne forskning gav os nogle indsigter i fysikken i samspillet mellem elektroner og heliumoverfladen, samt udvidet vores mikrotekniske kapaciteter" udtaler Dr. Alexander Badrutdinov, et tidligere medlem af Quantum Dynamics Unit og den første forfatter af papiret. "Vi har med succes adopteret en teknologi til at begrænse elektroner i mikroskopiske enheder, på skalaen få mikron. Med denne teknologi studerede vi bevægelsen af ​​mikroskopiske todimensionelle elektronkrystaller langs en flydende heliumoverflade og så ingen forskel mellem bevægelsen af ​​store elektronkrystaller, på skalaen fra millioner til milliarder af elektroner, og krystaller så små som et par tusinde elektroner, når teoretisk, forskelle burde eksistere."

Denne forskning er det første skridt hos OIST i udsigten til at bruge dette system til kvanteberegning. Ifølge Konstantinov, "det næste skridt i denne forskning er at isolere en endnu mindre elektronkrystal, og i sidste ende, en enkelt elektron, og flytte dem i dette system. I modsætning til andre systemer, dette system har potentialet til at være en ren, skalerbart system med mobile qubits." I teorien, denne type system ville have potentialet til at revolutionere kvantecomputerforskningsfeltet.