Завдяки новому методу керування обертанням електронів створять ефективні квантові комп'ютери
Метод, розроблений вченими з Рочестеру, долає обмеження електронного спінового резонансу. Квантова наука має потенціал зробити революцію в сучасних технологіях завдяки більш ефективним комп'ютерам, комунікації та сенсорним пристроям. Але спочатку треба вирішити, як точно маніпулювати інформацією у квантових системах.
У статті, опублікованій у Nature Physics, група дослідників з Університету Рочестеру описує новий метод керування спіном електронів у кремнієвих квантових точках — крихітних нанорозмірних напівпровідниках із чудовими властивостями — як спосіб маніпулювання інформацією у квантовій системі, повідомляє University of Rochester.
Використання квантових точок як кубітів
Звичайний комп'ютер складається з мільярдів транзисторів, які називають бітами. З іншого боку, квантові комп'ютери засновані на квантових бітах, також відомих як кубіти. На відміну від звичайних транзисторів, які можуть мати значення «0» (вимкнено) або «1» (увімкнено), кубіти керуються законами квантової механіки і можуть бути як «0», так і «1» одночасно.
Вчені давно вивчають можливість використання кремнієвих квантових точок як кубітів; контроль обертання електронів у квантових точках запропонував би спосіб маніпулювати передачею квантової інформації. Кожен електрон у квантовій точці має внутрішній магнетизм, як крихітний стрижневий магніт. Вчені називають це спіном електрона — магнітною властивістю кожного електрону, оскільки кожен електрон — це негативно заряджена частинка, яка поводиться так, ніби вона швидко обертається, і саме цей ефективний рух породжує магнетизм.
Електронний спін є багатообіцяючим кандидатом для передачі, зберігання та обробки інформації в квантових обчисленнях, оскільки він пропонує тривалий час когерентності та високу точність вентиля і сумісний із передовими методами виробництва напівпровідників. Час когерентності кубіта — це час до втрати квантової інформації через взаємодію з шумним середовищем; довга когерентність означає довший час для виконання обчислень. Висока точність воріт означає, що квантові операції, які намагаються виконати дослідники, виконуються саме так, як вони хочуть.
Однією з головних проблем у використанні кремнієвих квантових точок як кубітів є контроль за обертанням електронів.
Керування спіном електрона
Стандартним методом контролю електронного спіну є електронний спіновий резонанс (ESR), який передбачає застосування коливальних радіочастотних магнітних полів до кубітів. Однак цей метод має кілька обмежень, включаючи необхідність генерувати та точно контролювати осцилюючі магнітні поля в кріогенних середовищах, де працює більшість кубітів зі спіном електронів. Як правило, щоб створити коливальні магнітні поля, дослідники посилають струм через дріт, і це генерує тепло, яке може порушити кріогенне середовище.
Нікол та його колеги описують новий метод керування обертанням електронів у кремнієвих квантових точках, який не покладається на електромагнітні поля, що коливаються. Метод заснований на явищі під назвою «спін-долинний зв'язок», яке виникає, коли електрони в кремнієвих квантових точках переходять між різними спіновими та долинними станами. Тоді як спіновий стан електрона відноситься до його магнітних властивостей, долинний стан відноситься до іншої властивості, пов'язаної з просторовим профілем електрона.
Дослідники застосовують імпульс напруги, щоб використовувати ефект спін-долини зв'язку та маніпулювати спіном і станами долини, контролюючи спін електрона.
Раніше дослідники з Каліфорнійського університету відтворили тип гравітації, який існує на зірках та інших планетах у скляній кулі діаметром 3 см. Це дослідження допоможе зрозуміти, як сонячна погода впливає на космічні кораблі та системи супутникового зв'язку.
