Ny opdagelse hjælper med at lukke hullet mod optisk styret kvanteberegning

Forskere ved Ames Laboratory, Brookhaven National Laboratory, og University of Alabama Birmingham har opdaget en lys-induceret koblingsmekanisme i en Dirac semimetal. Mekanismen etablerer en ny måde at kontrollere det topologiske materiale på, drevet af frem og tilbage bevægelse af atomer og elektroner, som vil muliggøre topologisk transistor og kvanteberegning ved hjælp af lysbølger.

Ligesom nutidens transistorer og fotodioder erstattede vakuumrør for over et halvt århundrede siden, forskere søger efter et lignende spring fremad i designprincipper og nye materialer for at opnå kvanteberegningsevner. Den nuværende beregningskapacitet står over for enorme udfordringer med hensyn til kompleksitet, strømforbrug, og hastighed; at overskride de fysiske grænser, der nås, når elektronik og chips bliver varmere og hurtigere, der er behov for større fremskridt. Især i små skalaer, sådanne problemer er blevet store hindringer for at forbedre ydeevnen.

"Lysbølgetopologisk teknik søger at overvinde alle disse udfordringer ved at drive kvante periodisk bevægelse til at lede elektroner og atomer via nye frihedsgrader, dvs. topologi, og inducerer overgange uden opvarmning ved hidtil usete terahertz-frekvenser, defineret som en trillion cyklusser i sekundet, klokkeslæt, " sagde Jigang Wang, seniorforsker ved Ames Laboratory og professor i fysik ved Iowa State University. "Dette nye sammenhængende styringsprincip står i skarp kontrast til alle ligevægtsjusteringsmetoder, der er brugt indtil videre, såsom elektriske, magnetiske felter og spændingsfelter, som har meget langsommere hastigheder og større energitab."

Storstilet indførelse af nye beregningsprincipper, såsom kvanteberegning, kræver bygningsenheder, hvor skrøbelige kvantetilstande er beskyttet mod deres støjende omgivelser. En tilgang er gennem udvikling af topologisk kvanteberegning, hvor qubits er baseret på "symmetribeskyttede" kvasipartikler, der er immune over for støj.

Imidlertid, videnskabsmænd, der studerer disse topologiske materialer, står over for en udfordring - hvordan man etablerer og opretholder kontrol over disse unikke kvanteadfærd på en måde, der gør applikationer som kvanteberegning mulige. I dette eksperiment, Wang og hans kolleger demonstrerede, at kontrol ved at bruge lys til at styre kvantetilstande i et Dirac-semimetal, et eksotisk materiale, der udviser ekstrem følsomhed på grund af dets nærhed til en bred vifte af topologiske faser.

"Vi opnåede dette ved at anvende et nyt lys-kvante-kontrolprincip kendt som mode-selektive Raman-fonon kohærente svingninger - at drive periodiske bevægelser af atomer omkring ligevægtspositionen ved hjælp af korte lysimpulser, " siger Ilias Perakis, professor i fysik og formand ved University of Alabama i Birmingham. "Disse drevne kvanteudsving inducerer overgange mellem elektroniske tilstande med forskellige huller og topologiske rækkefølger."

En analogi til denne form for dynamisk skift er det periodisk drevne Kapitzas pendul, som kan gå over til en omvendt, men stabil position, når højfrekvent vibration påføres. Forskerens arbejde viser, at dette klassiske kontrolprincip - at køre materialer til en ny stabil tilstand, der ikke findes normalt - overraskende er anvendelig til en bred vifte af topologiske faser og kvantefaseovergange.

"Vores arbejde åbner en ny arena af lysbølgetopologisk elektronik og faseovergange styret af kvantekohærens, " siger Qiang Li, Gruppeleder for Brookhaven National Laboratory's Advanced Energy Materials Group. "Dette vil være nyttigt i udviklingen af ​​fremtidige kvanteberegningsstrategier og elektronik med høj hastighed og lavt energiforbrug."

Spektroskopien og dataanalysen blev udført på Ames Laboratory. Modelbygning og analyse blev delvist udført ved University of Alabama, Birmingham. Prøveudvikling og magneto-transportmålinger blev udført på Brookhaven National Laboratory. Tæthedsfunktionelle beregninger blev understøttet af Center for Advancement of Topological Semimetals, et DOE Energy Frontier Research Center ved Ames Laboratory.

Forskningen diskuteres yderligere i papiret, "Lysdrevet Raman-kohærens som en ikke-termisk rute til ultrahurtig topologiskift i et Dirac-semimetal, "forfattet af C. Vaswani, L.-L. Wang, D.H. Mudiyanselage, Q. Li, P. M. Lozano, G. Gu, D. Cheng, B. Sang, L. Luo, R.H.J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, Dvs. Perakis, Y. Yao, K. M. Ho, og J. Wang; og udgivet i Fysisk gennemgang X .