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如何用光移動(dòng)電子？這是量子計(jì)算中的難題題！

2019-05-20 17:07 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

電子學(xué)依賴于帶負(fù)電荷的電子運(yùn)動(dòng)，物理學(xué)家們努力理解推動(dòng)這些粒子運(yùn)動(dòng)的力量，目的是在新技術(shù)中利用它們的力量。例如，量子計(jì)算機(jī)使用一組精確控制的電子來(lái)完成巨量計(jì)算任務(wù)。

最近，沖繩理工大學(xué)研究生院(OIST)的研究人員演示了微波是如何影響電子運(yùn)動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)可能有助于未來(lái)的量子計(jì)算技術(shù)。普通計(jì)算機(jī)的邏輯操作是基于0和1，這種二進(jìn)制代碼限制了計(jì)算機(jī)可以處理的信息數(shù)量和類型。亞原子粒子可以以兩種以上的離散狀態(tài)存在，因此量子計(jì)算機(jī)利用電子來(lái)處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，并以極高的速度執(zhí)行功能。

為了讓電子在實(shí)驗(yàn)中處于不穩(wěn)定狀態(tài)，科學(xué)家們捕獲了這些粒子，并將它們暴露在改變其行為的力量之下。在這項(xiàng)發(fā)表在《物理評(píng)論B》(Physical Review B)上的新研究中，OIST的研究人員將電子困在一個(gè)寒冷的真空密封的房間里，并將其置于微波下。這些粒子和光改變了彼此的運(yùn)動(dòng)并交換了能量，這表明這個(gè)密封的系統(tǒng)可能被用來(lái)存儲(chǔ)量子信息——未來(lái)的微芯片。這是對(duì)一個(gè)項(xiàng)目的一小步，它需要更多的研究，為量子計(jì)算和存儲(chǔ)量子信息創(chuàng)造出電子的新?tīng)顟B(tài)。

讓電子旋轉(zhuǎn)

光，由快速振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成，可以推動(dòng)它在環(huán)境中遇到的帶電物質(zhì)。如果光與電子以相同的頻率振動(dòng)，光和粒子就能交換能量和信息。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，光和電子的運(yùn)動(dòng)是“耦合的”。如果能量交換比環(huán)境中其他光物質(zhì)的相互作用發(fā)生得更快，那么這種運(yùn)動(dòng)就是“強(qiáng)耦合的”。在這里，科學(xué)家們開(kāi)始利用微波來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合是利用光對(duì)粒子進(jìn)行量子力學(xué)控制的重要一步，如果我們想產(chǎn)生一些非經(jīng)典的物質(zhì)狀態(tài)，這可能很重要。為了清晰地觀察強(qiáng)耦合，它有助于將電子與環(huán)境中的誤導(dǎo)性噪聲隔離開(kāi)來(lái)，這些噪聲是在電子與附近的物質(zhì)碰撞或與熱相互作用時(shí)產(chǎn)生。

量子力學(xué)單元將二維電子層困在液氦中，并將其置于一個(gè)密封的腔內(nèi)，冷卻至接近絕對(duì)零度。在腔室內(nèi)部，頂部的金屬板和球面鏡反射微波光(紅色光束)，從而形成微波腔(諧振腔)。被捕獲的微波與漂浮在液氦上的電子相互作用。圖片：Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST

科學(xué)家們研究了微波在半導(dǎo)體與絕緣體接觸的半導(dǎo)體界面中對(duì)電子的影響，從而將電子的運(yùn)動(dòng)限制在一個(gè)平面上，但是半導(dǎo)體中含有阻礙電子自然運(yùn)動(dòng)的雜質(zhì)。沒(méi)有一種材料是完全沒(méi)有缺陷的，所以量子力學(xué)單元選擇了另一種解決方案——將它們的電子隔離在裝有兩個(gè)反射微波的金屬鏡子冷真空密封的房間里。這些被稱為“細(xì)胞”的圓柱形小容器中，每一個(gè)都有一個(gè)液氦池，液氦池的溫度保持在接近絕對(duì)零度。在這種極端的溫度下，氦仍然是液體，但是任何漂浮在物質(zhì)內(nèi)部的雜質(zhì)都會(huì)結(jié)冰并附著在“細(xì)胞”的兩側(cè)。

電子與氦的表面結(jié)合，有效地形成了一個(gè)二維的薄片。然后，研究人員可以通過(guò)捕捉電池內(nèi)兩面鏡子之間的光線，將等待的電子暴露在電磁輻射下，比如微波。這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)揭示了微波對(duì)電子旋轉(zhuǎn)的影響，這種影響在半導(dǎo)體中是看不見(jiàn)的。論文作者、量子力學(xué)部門博士后學(xué)者奧列克西扎多洛日科(Oleksiy Zadorozhko)博士說(shuō)：在我們的裝置中，可以更清楚地確定物理現(xiàn)象的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)微波對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)有顯著的影響。

啟動(dòng)量子計(jì)算

物理學(xué)家用數(shù)學(xué)方法描述了他們的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)速度、位置或單個(gè)電子的總電荷的波動(dòng)對(duì)強(qiáng)耦合效應(yīng)影響很小。相反，粒子和微波的平均運(yùn)動(dòng)，總體上，似乎觸發(fā)了它們之間的能量和信息交換。研究人員希望，在未來(lái)，液氦系統(tǒng)將使他們能夠精確地控制電子，從而使他們能夠像我們?cè)谟脖P上存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)那樣讀寫和處理量子信息。隨著對(duì)這個(gè)系統(tǒng)理解的加深，量子動(dòng)力學(xué)單元的目標(biāo)是改進(jìn)量子位元的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——量子信息的位元。研究努力可能會(huì)促使更快、更強(qiáng)大的量子技術(shù)的發(fā)展！