量子計(jì)算中的問題 如何用光移動(dòng)電子

微小的移動(dòng)粒子構(gòu)成了我們物理世界中的一切 - 包括現(xiàn)代電子學(xué)，其功能依賴于帶負(fù)電的電子的運(yùn)動(dòng)。物理學(xué)家努力了解推動(dòng)這些粒子運(yùn)動(dòng)的力量，目標(biāo)是利用新技術(shù)的力量。例如，量子計(jì)算機(jī)使用一組精確控制的電子來進(jìn)行巨型計(jì)算任務(wù)。最近，沖繩科學(xué)技術(shù)研究生院(OIST)的研究人員展示了一種稱為微波的光線如何切斷電子的運(yùn)動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)可能有助于改進(jìn)量子計(jì)算。

普通計(jì)算機(jī)以零和1運(yùn)行，此二進(jìn)制代碼限制了計(jì)算機(jī)可以處理的信息量和類型。亞原子粒子可以存在于兩個(gè)以上的離散狀態(tài)，因此量子計(jì)算機(jī)利用電子來處理復(fù)雜數(shù)據(jù)并以鞭打速度執(zhí)行功能。為了使電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，科學(xué)家捕獲了粒子，并將它們暴露在改變其行為的力量之下。

在2018年12月18日發(fā)表于物理評(píng)論B的新研究中，OIST的研究人員將電子捕獲在一個(gè)寒冷的真空密封室中并將它們置于微波爐中。粒子和光線改變了彼此的運(yùn)動(dòng)并交換了能量，這表明密封系統(tǒng)可能用于存儲(chǔ)量子信息 - 未來的微芯片。

“這是向一個(gè)需要更多研究的項(xiàng)目邁出的一小步，”該論文的第一作者和由丹尼斯康斯坦丁諾夫教授領(lǐng)導(dǎo)的OIST量子動(dòng)力學(xué)部門的研究生陳佳寶說。為了量子計(jì)算和存儲(chǔ)量子信息，創(chuàng)造新的電子態(tài)。“

發(fā)送電子旋轉(zhuǎn)

由快速，振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成的光可以推動(dòng)它在環(huán)境中遇到的帶電物質(zhì)。如果光以與遇到的電子相同的頻率振動(dòng)，光和粒子可以交換能量和信息。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，光和電子的運(yùn)動(dòng)被“耦合”。如果能量交換比環(huán)境中的其他光物質(zhì)相互作用更快地發(fā)生，則運(yùn)動(dòng)是“強(qiáng)耦合的”。在這里，科學(xué)家們開始使用微波實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合狀態(tài)。

“實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合是利用光線對(duì)粒子進(jìn)行量子力學(xué)控制的重要一步，”陳說。“如果我們想要產(chǎn)生一些非經(jīng)典的物質(zhì)狀態(tài)，這可能很重要。”

為了清楚地觀察強(qiáng)耦合，它有助于將電子與其環(huán)境中誤導(dǎo)性的“信號(hào)噪聲”隔離開來，這種信號(hào)在電子與附近物質(zhì)碰撞或與熱相互作用時(shí)產(chǎn)生?？茖W(xué)家研究了微波對(duì)半導(dǎo)體界面中電子的影響 - 半導(dǎo)體與絕緣體相遇，從而限制了電子向一個(gè)平面的運(yùn)動(dòng)。但半導(dǎo)體含有阻礙電子自然運(yùn)動(dòng)的雜質(zhì)。

沒有材料完全沒有缺陷，因此量子動(dòng)力學(xué)單元選擇了另一種解決方案 - 在寒冷的真空密封室中隔離它們的電子，這些室配有兩個(gè)反射微波的金屬鏡。

腔室，稱為細(xì)胞的小圓柱形容器，每個(gè)容器包含一個(gè)液氦池，保持在接近絕對(duì)零度的溫度。在這種極端溫度下，氦氣仍保持液態(tài)，但漂浮在物質(zhì)內(nèi)的任何雜質(zhì)都會(huì)凍結(jié)并粘附在電池的兩側(cè)。電子與氦的表面結(jié)合，有效地形成二維片。然后，研究人員可以通過捕獲細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)鏡子之間的光線，將等待的電子暴露在電磁輻射(如微波)中。

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)體中是不可見的。

“在我們的設(shè)置中，我們可以更清楚地確定物理現(xiàn)象的過程，”該論文的作者和量子動(dòng)力學(xué)部門的博士后學(xué)者Oleksiy Zadorozhko博士說。“我們發(fā)現(xiàn)微波對(duì)電子運(yùn)動(dòng)有顯著影響。”

加速量子計(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)單個(gè)電子的速度，位置或總電荷的波動(dòng)對(duì)強(qiáng)耦合效應(yīng)幾乎沒有影響。相反，粒子和微波的平均運(yùn)動(dòng)似乎引發(fā)了它們之間的能量和信息交換。

研究人員希望，在未來，液氦系統(tǒng)將使他們能夠精確控制電子，從而允許他們讀取，寫入和處理量子信息，類似于我們將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤上的方式。隨著對(duì)該系統(tǒng)的深入理解，量子動(dòng)力學(xué)單元旨在改進(jìn)量子比特的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) - 量子信息。他們的努力可能會(huì)導(dǎo)致更快，更強(qiáng)大的量子技術(shù)的發(fā)展。