Pitanja u kvantnom računanju – kako pomicati elektrone sa svjetlom

Elektronika se oslanja na kretanje negativno nabijenih elektrona. Fizičari nastoje da shvate sile koje pokreću ove čestice, sa ciljem da iskoriste njihovu moć u novim tehnologijama. Na primjer, kvantni kompjuteri koriste flotu precizno kontrolisanih elektrona da rješe golijatske računske zadatke. Nedavno su istraživači na Univerzitetu za nauku i tehnologiju Okinawa (OIST) pokazali kako mikrotalasi prekidaju kretanje elektrona. Nalazi mogu doprinijeti budućoj kvantnoj računalnoj tehnologiji.

Logičke operacije normalnih računara zasnivaju se na nulama i jedinicama, a ovaj binarni kod ograničava volumen i vrstu informacija koje mašine mogu obraditi. Subatomske čestice mogu postojati u više od dva diskretna stanja, tako da kvantni kompjuteri upregnu elektrone u krckanje kompleksnih podataka i obavljaju funkcije pri brzini whiplasha. Da bi se elektroni držali u limbu za eksperimente, naučnici hvataju čestice i izlažu ih silama koje mijenjaju njihovo ponašanje.



U novoj studiji, objavljenoj 18. decembra 2018. godine u časopisu Physical Review B, istraživači OIST-a uhvatili su elektrone u frigidnoj, vakuumski zatvorenoj komori i podvrgli ih mikrovalovima. Čestice i svetlost su mjenjali kretanje i razmjenjivali energiju, što sugerira da bi zapečaćeni sistem potencijalno mogao biti korišten za pohranu kvantne informacije – mikročip budućnosti.

Ovo je mali korak ka projektu koji zahtijeva mnogo više istraživanja – stvaranje novih stanja elektrona u svrhu kvantnog računanja i pohranjivanja kvantnih informacija “, rekao je Jiabao Chen, prvi autor rada i postdiplomac u OIST Quantum Dynamics. Denis Konstantinov.

Spinovanje elektrona

Svjetlost, sastavljena od brzih, oscilirajućih električnih i magnetnih polja, može gurati oko nabijene materije koju susreće u okolini. Ako svjetlost vibrira na istoj frekvenciji kao i elektroni koje susreće, svjetlost i čestice mogu razmjenjivati energiju i informacije. Kada se to dogodi, kretanje svjetlosti i elektrona je “povezano”. Ako se razmjena energije odvija brže od drugih interakcija svjetlosti sa materijom u okolini, kretanje je “snažno povezano”. Ovdje su naučnici krenuli u postizanje snažno vezanog stanja koristeći mikrotalase.

Postizanje snažnog povezivanja je važan korak ka kvantnoj mehaničkoj kontroli nad česticama koristeći svjetlost, “rekao je Čen.” Ovo može biti važno ako želimo da stvorimo neko neklasično stanje materije. ”

Da bi se jasno uočila snažna sprega, pomaže da se izoluju elektroni od obmanjujuće buke u njihovoj okolini, koja nastaje kada se elektroni sudaraju sa obližnjom materijom ili u interakciji sa toplotom. Naučnici su proučavali uticaj mikrotalasa na elektrone u poluprovodničkim interfejsima u kojima se poluvodič susreće sa izolatorom, ograničavajući tako kretanje elektrona u jednu ravninu. Ali poluvodiči sadrže nečistoće koje ometaju prirodno kretanje elektrona.

Nijedan materijal nije potpuno lišen defekata, pa Quantum Dynamics jedinica odabire alternativno rješenje – izolirajući svoje elektrone u hladnim komorama zatvorenim vakuumom opremljenim s dva metalna ogledala koja odražavaju mikrovalove.

Komore, male cilindrične posude nazvane ćelije, svaka sadrži bazen tekućeg helijuma koji se čuva na temperaturi blizu apsolutne nule. Helij ostaje tečan na ovoj ekstremnoj temperaturi, ali sve nečistoće koje lebde unutar supstance se smrzavaju i drže se za strane ćelije. Elektroni se vežu za površinu helija, formirajući dvodimenzionalni list. Istraživači zatim mogu izlagati elektrone koji čekaju elektromagnetnom zračenju, kao što su mikrotalasi, hvatanjem svjetlosti između dva ogledala unutar ćelije.



Ovaj relativno jednostavan sistem otkrio je uticaj mikrotalasa na rotaciju elektrona – efekat koji je bio nevidljiv u poluvodičima.

“U našoj postavci možemo jasnije odrediti tok fizičkih fenomena”, kaže dr. Oleksi Zadorozhko, autor rada i postdoktorski istraživač u Quantum Dynamics Unit. “Otkrili smo da mikrotalasi imaju značajan uticaj na kretanje elektrona.”

Uključivanje kvantnog računanja

Fizičari su matematički opisali svoje nalaze i otkrili da fluktuacije brzine, lokacije ili ukupnog naboja pojedinih elektrona imaju mali uticaj na jake efekte spajanja. Umjesto toga, prosječno kretanje čestica i mikrovalova, masovno, činilo se da pokreće razmjenu energije i informacija između njih.

Istraživači se nadaju da će im u budućnosti sistem tečnog helijuma omogućiti preciznu kontrolu nad elektronima, čime će im omogućiti da čitaju, pišu i obrađuju kvantne informacije slično onome kako čuvamo standardne podatke na čvrstom disku. Sa poboljšanim razumjevanjem ovog sistema, Quantum Dynamics jedinica ima za cilj da poboljša industrijski standard za kbitove – bitove kvantne informacije. Njihovi napori mogu dovesti do razvoja bržih, moćnijih kvantnih tehnologija.

Izvor: https://phys.org/news/2019-02-quantum-computinghow-electrons.html2

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *