量子技术新进展:用光移动电子!

近期,日本冲绳科学技术大学院大学展示了微波是如何影响电子运动的,这项研究有望帮助改善量子计算。运动着的微小粒子组成了我们物质世界中的所有物体,其中包括现代电子器...


近期,日本冲绳科学技术大学院大学展示了微波是如何影响电子运动的,这项研究有望帮助改善量子计算。

运动着的微小粒子组成了我们物质世界中的所有物体,其中包括现代电子器件(其功能依赖于带负电荷的电子运动)。物理学家们力求理解让这些粒子产生运动的各种力量,目标是在新技术中利用它们的力量。例如,量子计算机就是采用一组被精准控制的电子来承担庞大的计算任务。

经典的计算机运行在比特位(0或1)的基础之上,这种二进制代码限制了机器可处理的信息容量与种类。亚原子的粒子不只是处于这两种离散状态,还可以处于叠加态(既是0又是1)。对于这种叠加态最好的解释是量子理论的一个思想实验:薛定谔的猫。只有在揭开盖子的一瞬间,我们通过“观测”才能确切地知道猫是死是活。

(图片来源:维基百科)

不同于经典的比特位,量子位可以处于这种奇妙的叠加态。因此,在量子位基础上构建出来的量子计算机,具备了经典计算机所无法相比的强大运算处理能力。量子计算机可以利用电子,以极快的速度处理复杂的数据并执行各种功能。然而,为了让电子处于这种“不确定”的叠加态,科学家们需要捕获粒子并施加力量改变其行为。

(图片来源:麻省理工学院)

近期,日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)展示了一种形式的光线,称为“微波”,是如何影响电子运动的。这项研究有望帮助改善量子计算。

(图片来源:OIST)

在一篇于2018年12月18日发表在《物理评论B》期刊上的新论文中,OIST 的研究人员们将电子囚禁于极冷的、真空密封的腔体中,并使之接收微波辐射。这些粒子与光线改变了彼此的运动并交换了能量,这表明这种密封的系统有望用于存储量子信息(未来的芯片)。

Denis Konstantinov 教授所领导的 OIST 量子动力学单元的研究生、论文第一作者 Jiabao Chen 表示:“这是朝着需要更多研究的项目迈出的一小步,……为量子计算和量子信息存储创造出电子的新状态。”

下图所示:量子动力学单元将二维电子层囚禁于液氦中,并置于一个密封的腔体内,冷却至接近绝对零度。在腔体内部,顶部的金属板和球面镜反射微波光线(红色光束),从而形成微波腔(谐振腔)。被捕获的微波与漂浮在液氦上的电子相互作用。

(图片来源:OIST)

光,由高速振荡的电磁场组成,可以驱动它在环境中遇到的带电物质。如果光线振动的频率与其遇到的电子一样,光线与粒子就可以交换能量与信息。当这种现象产生时,光线与电子的运动就是“耦合”的。如果能量交换产生得比环境中其他的光与物质相互作用更快,那么运动就是“强耦合”的。这里,科学家们打算用微波实现一种强耦合状态。

Chen 表示:“实现强耦合是朝着采用光线对粒子进行量子力学控制迈出的重要一步。如果我们想要生成一些非经典的物质状态,那么这一步就可能是很重要的。”

将电子与它们所在环境中的误导性“信号噪声”隔离开来,有助于清晰地观察强耦合。当电子与邻近的物质产生碰撞或者热相互作用时,这种“信号噪声”就产生了。科学家们研究了微波对于半导体界面(半导体与绝缘体的交界处)中的电子的影响,从而将电子运动限制在一个平面上。

任何材料都不是完全没有缺陷的,所以量子动力学单位选择了一个替代性的解决方案:电子隔离到极冷的真空密封的腔体中,并在腔体中配备了两个金属镜子用于反射微波。

这些腔体,就是一些圆柱形的小容器,也称为“小室”。每个小室都具有一个液氦池,其温度保持在绝对零度附近。氦在这种极低的温度下保持着液态,但是任何流动到这种物质中的杂质都会凝固,附着在小室的侧面。电子与氦的表面结合,有效地形成了二维薄片。然后,研究人员们通过捕捉小室中两面镜子之间的光线,将等待的电子暴露于诸如微波的电磁辐射中。

下图所示:小室(容器),即液氦之上的电子实验开展的地方。

(图片来源:OIST)

下图所示:左边的铜镜引导并聚焦液氦上的电子中的微波光子。平面的镜子(右边)具有两个同心圆电极,用于测量。

(图片来源:OIST)

这种相对简单的系统揭示了微波对于电子旋转产生影响,这种效应在半导体中过去一直都是不可见的。

论文作者之一、量子动力学单元的博士后访问学者 Oleksiy Zadorozhko 表示:“在我们的装置中,我们能够更加清晰地判断物理现象。我们发现,微波显著地影响电子运动。”

物理学家们通过数学的方法描述了他们的成果,发现速度、位置或者单个电子的总电荷受到强耦合效应的影响很小。相反,粒子与微波的平均运动,似乎一同触发了它们之间的能量与信息交换。

研究人员们希望,未来,液氦系统将使他们可以精准地控制电子,从而像我们将经典数据存储在硬盘上那样,读取、写入和处理量子信息。随着对于这个系统的理解的加深,量子动力学单元的目标是改善量子位(量子信息的位元)的工业标准。他们的努力将导致开发出更高速、更强大的量子技术。

参考资料