Новый шаг в квантовом вычислении: электронами будут управлять с помощью микроволн

Новый шаг в квантовом вычислении: электронами будут управлять с помощью микроволн

Ученые научились переводить электроны из возбужденного состояния в расслабленное с помощью «камертона» для микроволн.

Международная команда исследователей показала, как в сверхпроводящем резонаторе можно резко увеличить взаимодействие микроволн на фундаментальное свойство электронов – спины.

Опыты по изучению воздействия микроволн на новый материал на основе кремния показали, что микроволны способны изменять спины электронов, переводя электроны из возбужденного состояния в расслабленное. Под воздействием микроволн электроны испускают частицы энергии – фотоны.

Вероятность того, что электроны без внешнего воздействия перейдут из возбужденного состояния в расслабленное, крайне мала. В естественных условиях самопроизвольное испускание фотона происходит один раз примерно в десять тысяч лет – это явление называние эффектом Перселла. В эксперименте было показано, что ускоренное контролируемое расслабление электронов возможно, при этом каждую секунду происходит испускание одного фотона.

«Это похоже на жонглирование мячиками, которые падают в тысячу раз быстрее, чем обычно, и когда они падают, появляется маленькая искра», – рассказывает Томас Шенкель (Thomas Schenkel), один из ведущих авторов исследования.  

«Для развития систем квантового вычисления наши результаты значат очень много», – говорит Патрис Бертет (Patrice Bertet), главный экспериментатор. – «Это первый шаг к спиновому взаимодействию индивидуальных электронов с высокочастотными фотонами, который может стать фундаментом для создания архитектуры новых квантовых компьютеров».

Джон Мортон (John Morton), соавтор исследования, рассказал об основной цели исследования: «Наша непосредственная задача – найти связь между зафиксированной квантовой информацией и данными, которые могут передавать фотоны».

В современных компьютерах информация хранится в битах – каждый бит содержит единицу или ноль. Квантовые компьютеры могут быть намного более мощными благодаря другим единицам хранения информации – кубитам, которые благодаря квантовым механизмам могут одновременно вести себя и как ноль, и как единица.

Система связанных между собой кубитов позволила бы компьютеру производить множество вычислений одновременно. Ученые предполагают, что в качестве кубитов в квантовых компьютерах можно будет использовать спины электронов. Последние исследования показали, что испускаемые электронами фотоны могут передавать информацию.

«Теперь мы должны найти способ связать эти спины друг с другом», – рассказывает Мортон. – «То есть соединить кубиты, которые будут производить вычисления».

Для эксперимента небольшое количество очищенного кремния было заполнено атомами висмута, сверху был помещен сверхпроводящий алюминиевый контур для создания резонатора, который позволял управлять микроволнами с большой точностью. Электронные спины атомов висмута были переведены в возбужденное состояние.

Затем была произведена настройка резонатора, чтобы заставить электроны испустить фотоны и вернуться в расслабленное состояние. Резонатор можно было настроить по-разному, чтобы добиться контролируемого испускания электронов и управления спинами, однако эффективность этих способов также была различна. Опытным путем был выбран наиболее эффективный способ управления спинами электронов.

Использование крупных атомов висмута с уникальными свойствами спинов обеспечило успех эксперимента. По словам Шенкеля, внедрение атомов висмута в структуру кремния было похоже на «проталкивание боулинговых шаров в коробку с шариками для настольного тенниса».

«Мы сделали новый фокус с использованием кремния. Никто, наверное, и не ожидал, что кремнию можно найти еще какое-нибудь применение», – рассказал он. – «Теперь мы ищем возможности усовершенствования полученного материала и изучения свойств спинов других материалов».

Для будущих исследований, по словам Шенкеля, необходимо изменить процесс введения примеси для снижения повреждений структуры кремния. Также ученые планируют упорядочить размещение электронов в материале основы, поскольку это позволит создать более эффективные системы квантовых вычислений.

«Сейчас мы проводим эксперименты по созданию этого и других материалов при более высоких температурах и давлениях с помощью наносекундных ионных импульсов в ускорителе», – объяснил Шенкель. – «Мы считаем, что это может улучшить качества спинов».

Исследователи заявили, что последние исследования могут быть использованы для увеличения чувствительности аппаратов для спектроскопии ядерного магнитного резонанса и динамической ядерной поляризации. Также управление свойствами спинов может сократить время научных экспериментов. «Нам нужна возможность «настраивать» спины – заставлять их расслабляться по команде, чтобы в случае неудачи можно было сразу повторно провести эксперимент», – поясняет Мортон.

Бертет уточнил, что в дальнейшем можно будет еще ускорить процесс изменения спинов до менее 1 миллисекунды по сравнению с 1 секундой в последнем эксперименте: «Это откроет нам возможности для расширения области применения наших результатов».

 

 

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?