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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(xué),其功能依賴于帶負(fù)電的電子的運(yùn)動。物理學(xué)家努力了解推動這些粒子運(yùn)動的力量,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。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(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量子動力學(xué)部門的研究生陳佳寶說。為了量子計(jì)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(dāng)發(fā)生這種情況時(shí),光和電子的運(yùn)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(yùn)動是“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(shí)產(chǎn)生。科學(xué)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(gè)平面的運(yùn)動。但半導(dǎo)體含有阻礙電子自然運(yùn)動的雜質(zhì)。
沒有材料完全沒有缺陷,因此量子動力學(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(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(xué)部門的博士后學(xué)者Oleksiy Zadorozhko博士說。“我們發(fā)現(xiàn)微波對電子運(yùn)動有顯著影響。”
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對強(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)存儲在硬盤上的方式。隨著對該系統(tǒng)的深入理解,量子動力學(xué)單元旨在改進(jìn)量子比特的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) - 量子信息。他們的努力可能會導(dǎo)致更快,更強(qiáng)大的量子技術(shù)的發(fā)展。
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