Spørgsmål i kvanteberegning - hvordan man flytter elektroner med lys

Elektronik er afhængig af bevægelsen af ​​negativt ladede elektroner. Fysikere bestræber sig på at forstå de kræfter, der skubber disse partikler i bevægelse, med det mål at udnytte deres magt i nye teknologier. Kvantecomputere, for eksempel, anvende en flåde af præcist kontrollerede elektroner til at påtage sig opgørelser ved goliath. For nylig, forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) demonstrerede, hvordan mikrobølger skærer ind i elektronernes bevægelser. Resultaterne kan bidrage til fremtidens kvanteberegningsteknologi.

De logiske operationer på normale computere er baseret på nuller og dem, og denne binære kode begrænser mængden og typen af ​​information, maskinerne kan behandle. Subatomiske partikler kan eksistere i mere end to diskrete tilstande, så kvantecomputere udnytter elektroner til at knuse komplekse data og udføre funktioner med whiplash -hastighed. For at holde elektroner i limbo til eksperimenter, forskere fanger partiklerne og udsætter dem for kræfter, der ændrer deres adfærd.

I den nye undersøgelse, offentliggjort 18. december, 2018 i Fysisk gennemgang B , OIST -forskere fangede elektroner i en frigid, vakuumforseglet kammer og udsatte dem for mikrobølger. Partiklerne og lyset ændrede hinandens bevægelse og udvekslede energi, hvilket tyder på, at det forseglede system potentielt kan bruges til at gemme kvanteinformation - en fremtidig mikrochip.

"Dette er et lille skridt i retning af et projekt, der kræver meget mere forskning - at skabe nye tilstande af elektroner med henblik på kvanteberegning og lagring af kvanteinformation, "sagde Jiabao Chen, første forfatter til papiret og en kandidatstuderende i OIST Quantum Dynamics Unit, ledet af prof. Denis Konstantinov.

Sender elektroner i spinning

Lys, består af hurtige, oscillerende elektriske og magnetiske felter kan skubbe omkring ladet stof, det møder i miljøet. Hvis lyset vibrerer med samme frekvens som elektroner det støder på, lyset og partiklerne kan udveksle energi og information. Når det sker, lysets og elektronernes bevægelse er "koblet". Hvis energiudvekslingen sker hurtigere end andre lys-stof-interaktioner i miljøet, bevægelsen er "stærkt koblet". Her, forskerne satte sig for at opnå en stærkt koblet tilstand ved hjælp af mikrobølger.

"At opnå en stærk kobling er et vigtigt skridt i retning af kvantemekanisk kontrol over partikler ved hjælp af lys, "sagde Chen." Dette kan være vigtigt, hvis vi ønsker at generere en ikke-klassisk tilstand. "

For at observere stærk kobling klart, det hjælper med at isolere elektroner fra vildledende støj i deres miljø, som opstår, når elektroner kolliderer med nærliggende stof eller interagerer med varme. Forskere har undersøgt mikrobølgernes indvirkning på elektroner i halvledergrænseflader, hvor en halvleder møder en isolator, dermed begrænser elektronernes bevægelse til et plan. Men halvledere indeholder urenheder, der hæmmer elektronernes naturlige bevægelse.

Intet materiale er fuldstændig blottet for fejl, så Quantum Dynamics Unit vælger en alternativ løsning-at isolere deres elektroner i frigide vakuumforseglede kamre udstyret med to metalspejle, der afspejler mikrobølger.

Kamrene, små cylindriske beholdere kaldet celler, hver indeholder en pulje flydende helium, der holdes ved en temperatur tæt på absolut nul. Helium forbliver flydende ved denne ekstreme temperatur, men enhver urenhed, der flyder inde i stoffet, fryser og klæber til siderne af cellen. Elektroner binder sig til heliums overflade, effektivt danner et todimensionalt ark. Forskere kan derefter udsætte de ventende elektroner for elektromagnetisk stråling, såsom mikrobølger, ved at fange lyset mellem de to spejle i cellen.

Dette relativt enkle system afslørede mikrobølgernes indflydelse på elektronernes rotation - en effekt, der havde været usynlig i halvledere.

"I vores setup, vi kan bestemme forløbet af fysiske fænomener mere klart, "sagde Dr. Oleksiy Zadorozhko, en forfatter på papiret og postdoktor i Quantum Dynamics Unit. "Vi fandt ud af, at mikrobølger havde betydelig indflydelse på elektronernes bevægelse."

Opstart af Quantum Computing

Fysikerne beskrev deres fund matematisk og fandt ud af, at udsving i hastigheden, placering eller samlet ladning af individuelle elektroner havde ringe indflydelse på de stærke koblingseffekter. I stedet, den gennemsnitlige bevægelse af partikler og mikrobølger, en masse, syntes at udløse en udveksling af energi og information mellem dem.

Forskerne håber, at i fremtiden det flydende heliumsystem vil give dem præcis kontrol over elektroner, så de kan læse, skrive og behandle kvanteoplysninger svarende til, hvordan vi gemmer standarddata på en harddisk. Med større forståelse for dette system, Quantum Dynamics Unit sigter mod at forbedre branchestandarden for qubits - bits af kvanteinformation. Deres indsats kan føre til udvikling af hurtigere, mere kraftfulde kvanteteknologier.