Перемещение фотонов с помощью света. Электроника полагается на движение отрицательно заряженных электронов. Физики стремятся понять силы, которые толкают эти частицы в движение, с целью использования их силы в новых технологиях. Например, квантовые компьютеры используют парк точно контролируемых электронов для выполнения вычислительных задач Голиафа. Недавно исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) продемонстрировали, как микроволны влияют на движение электронов. Результаты могут способствовать будущей технологии квантовых вычислений.

Модуль квантовой динамики улавливает двумерный слой электронов в жидком гелии, который удерживается внутри герметичной камеры и охлаждается почти до абсолютного нуля. Внутри камеры металлическая пластина и сферическое зеркало сверху отражают микроволновый свет (красный луч) и, таким образом, образуют микроволновую полость (резонатор). Захваченные микроволны взаимодействуют с электронами, плавающими на жидком гелии. Фото: Окинавский институт естественных наук и технологий, Высший университет – OIST

Логические операции обычных компьютеров основаны на нулях и единицах, и этот двоичный код ограничивает объем и тип информации, которую могут обрабатывать машины. Субатомные частицы могут существовать в более чем двух отдельных состояниях, поэтому квантовые компьютеры используют электроны для обработки сложных данных и выполнения функций со скоростью хлыста. Чтобы держать электроны в подвешенном состоянии для экспериментов, ученые захватывают частицы и подвергают их воздействию сил, которые изменяют их поведение.

В новом исследовании, опубликованном 18 декабря 2018 года в Physical Review B , исследователи OIST захватили электроны в холодной камере с вакуумным уплотнением и подвергли их воздействию микроволн. Частицы и свет изменяли движение друг друга и обменивались энергией, что говорит о том, что запечатанная система может потенциально использоваться для хранения квантовой информации – микрочипа будущего.

«Это небольшой шаг к проекту, который требует гораздо больше исследований – создания новых состояний электронов с целью квантовых вычислений и хранения квантовой информации», – сказал Цзябао Чен, первый автор статьи и аспирант в OIST Quantum. Отделение динамики, во главе с проф. Денисом Константиновым.

Отправка электронов спиннингом

Свет, состоящий из быстрых, колеблющихся электрических и магнитных полей, может толкать заряженное вещество, которое встречается в окружающей среде. Если свет вибрирует с той же частотой, с которой сталкивается электрон, свет и частицы могут обмениваться энергией и информацией. Когда это происходит, движение света и электронов «связано». Если обмен энергией происходит быстрее, чем другие взаимодействия света с веществом в окружающей среде, движение «сильно связано». Здесь ученые стремятся достичь Сильно связанное состояние с использованием микроволн.

«Достижение сильной связи – важный шаг к квантово-механическому контролю над частицами с помощью света», – сказал Чен. «Это может быть важно, если мы хотим создать неклассическое состояние материи».

Чтобы четко наблюдать сильную связь, это помогает изолировать электроны от вводящего в заблуждение шума в их среде, который возникает, когда электроны сталкиваются с находящимся поблизости веществом или взаимодействуют с теплом. Ученые изучили влияние микроволн на электроны в полупроводниковых интерфейсах, в которых полупроводник встречает изолятор, тем самым ограничивая движение электронов в одной плоскости. Но полупроводники содержат примеси, которые препятствуют естественному движению электронов.

Ни один материал полностью не лишен дефектов, поэтому Quantum Dynamics Unit выбирает альтернативное решение – изолировать их электроны в холодных вакуумных камерах с двумя металлическими зеркалами, которые отражают микроволны.

Камеры, маленькие цилиндрические контейнеры, называемые ячейками, содержат пул жидкого гелия, поддерживаемый при температуре, близкой к абсолютному нулю. Гелий остается жидким при этой экстремальной температуре, но любые примеси, плавающие внутри вещества, замерзают и прилипают к стенкам клетки. Электроны связываются с поверхностью гелия, эффективно образуя двумерный лист. Затем исследователи могут подвергать ожидающие электроны электромагнитному излучению, такому как микроволны, захватывая свет между двумя зеркалами внутри клетки.

Эта относительно простая система показала влияние микроволн на вращение электронов – эффект, который был невидим в полупроводниках.

«В нашей обстановке мы можем более четко определить ход физических явлений», – сказал доктор Алексей Задорожко, автор статьи и постдокторант в Отделе квантовой динамики. «Мы обнаружили, что микроволны оказали значительное влияние на движение электронов».

Включение квантовых вычислений

Физики описали свои результаты математически и обнаружили, что колебания скорости, местоположения или общего заряда отдельных электронов мало влияли на эффекты сильной связи. Вместо этого среднее движение частиц и микроволн в совокупности, казалось, запускало обмен энергией и информацией между ними.

Исследователи надеются, что в будущем система жидкого гелия предоставит им точный контроль над электронами, что позволит им считывать, записывать и обрабатывать квантовую информацию, аналогично тому, как мы храним стандартные данные на жестком диске. С улучшенным пониманием этой системы, Quantum Dynamics Unit стремится улучшить отраслевой стандарт для кубитов – битов квантовой информации. Их усилия могут привести к разработке более быстрых, более мощных квантовых технологий.

По материалам phys.org