量子計算中的問題 如何用光移動電子

微小的移動粒子構(gòu)成了我們物理世界中的一切 - 包括現(xiàn)代電子學，其功能依賴于帶負電的電子的運動。物理學家努力了解推動這些粒子運動的力量，目標是利用新技術(shù)的力量。例如，量子計算機使用一組精確控制的電子來進行巨型計算任務(wù)。最近，沖繩科學技術(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動。這些發(fā)現(xiàn)可能有助于改進量子計算。

普通計算機以零和1運行，此二進制代碼限制了計算機可以處理的信息量和類型。亞原子粒子可以存在于兩個以上的離散狀態(tài)，因此量子計算機利用電子來處理復(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)表于物理評論B的新研究中，OIST的研究人員將電子捕獲在一個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動并交換了能量，這表明密封系統(tǒng)可能用于存儲量子信息 - 未來的微芯片。

“這是向一個需要更多研究的項目邁出的一小步，”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量子動力學部門的研究生陳佳寶說。為了量子計算和存儲量子信息，創(chuàng)造新的電子態(tài)。“

發(fā)送電子旋轉(zhuǎn)

由快速，振蕩的電場和磁場組成的光可以推動它在環(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，光和粒子可以交換能量和信息。當發(fā)生這種情況時，光和電子的運動被“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，則運動是“強耦合的”。在這里，科學家們開始使用微波實現(xiàn)強耦合狀態(tài)。

“實現(xiàn)強耦合是利用光線對粒子進行量子力學控制的重要一步，”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。”

為了清楚地觀察強耦合，它有助于將電子與其環(huán)境中誤導(dǎo)性的“信號噪聲”隔離開來，這種信號在電子與附近物質(zhì)碰撞或與熱相互作用時產(chǎn)生?？茖W家研究了微波對半導(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平面的運動。但半導(dǎo)體含有阻礙電子自然運動的雜質(zhì)。

沒有材料完全沒有缺陷，因此量子動力學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，這些室配有兩個反射微波的金屬鏡。

腔室，稱為細胞的小圓柱形容器，每個容器包含一個液氦池，保持在接近絕對零度的溫度。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胞內(nèi)兩個鏡子之間的光線，將等待的電子暴露在電磁輻射(如微波)中。

這個相對簡單的系統(tǒng)揭示了微波對電子旋轉(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力學部門的博士后學者Oleksiy Zadorozhko博士說。“我們發(fā)現(xiàn)微波對電子運動有顯著影響。”

加速量子計算

物理學家用數(shù)學方法描述了他們的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)單個電子的速度，位置或總電荷的波動對強耦合效應(yīng)幾乎沒有影響。相反，粒子和微波的平均運動似乎引發(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，類似于我們將標準數(shù)據(jù)存儲在硬盤上的方式。隨著對該系統(tǒng)的深入理解，量子動力學單元旨在改進量子比特的行業(yè)標準 - 量子信息。他們的努力可能會導(dǎo)致更快，更強大的量子技術(shù)的發(fā)展。