Новый виток в квантовых вычислениях: ученые обучают электроны микроволнами

Исследователи переключили внутреннее свойство электронов из возбужденного состояния в расслабленное по требованию с помощью устройства, которое служило как микроволновой «камертон».

Выводы команды также могут привести к усовершенствованию в магнитных резонансных методах, которые широко используются для изучения структуры материалов и биомолекул и медицинской визуализации.

Международная исследовательская группа, в которую вошли ученые из Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Berkeley Lab), продемонстрировали, как резко увеличить сцепление микроволн в специально разработанном сверхпроводящем резонаторе до фундаментальной электронной особенности, называемой спином.
Переключая экзотический материал кремния, разработанной в Лаборатории Беркли с микроволнами, они обнаружили, что они могли бы быстро изменить спины электронов из возбужденного состояния в расслабленное, заставляя электроны излучать часть своей энергии в виде СВЧ частиц, известных как фотоны.

Самостоятельно спины электронов крайне маловероятно возвращаются обратно в расслабленное состояние и также испускают фотон - естественный уровень для этого светоизлучающего эффекта, известного как эффект Пурселла, примерно раз в 10000 лет. Эксперимент показал ускоренное, управляемое расслабление спинов электронов и выпуск СВЧ фотона примерно в 1 секунду, сказал Томас Шенкель, физик в Лаборатории Беркли.

"Наши результаты являются весьма значимыми для обработки квантовой информации", - сказал Патрис Бертер, ученый квантовой электроники, который возглавлял эксперимент. - "Действительно, они являются первым шагом на пути к сильной связи индивидуальных электронных спинов с микроволновыми фотонами, которые могли бы лечь в основу новой квантовой компьютерной архитектуры".

Джон Мортон, профессор Лондонского Центра нанотехнологий и соавтор исследования, говорит: "Наша конечная цель заключается в нахождении связи между зафиксированной квантовой информацией, и квантовой информацией, которую можно транспортировать фотонами."

В современных компьютерах информация хранится в виде отдельных битов, и каждый бит может быть единицей или нулем. Квантовые компьютеры, вероятно, могут быть экспоненциально более мощными, чем современные компьютеры, потому что они будут использовать другие виды битов, называемые кубитами, которые могут вести себя как единица и нуль одновременно.

Спаренный массив кубитов позволит квантовому компьютеру выполнять много-много вычислений одновременно, и спины электронов являются кандидатами для кубитов в квантовом компьютере. Последнее исследование показывает, как микроволновые фотоны могли работать согласованно со спинами электронов для перемещения информации в новом типе компьютера.

"Сейчас нам нужны способы соединять эти системы - спарить эти спины вместе", - сказал Мортон. -"Мы должны сделать сочетание кубитов, которые могут выполнять вычисления."

В эксперименте, проведенном в CEA во Франции, маленький образец высокоочищенной формы кремния имплантировали в матрицу атомов висмута а схему сверхпроводящего алюминия нанесли на верхушку, чтобы создать высококачественную резонансную полость, которая позволила точную настройку микроволн. Электронные спины атомов висмута тогда перешли в возбужденное состояние.

Микроволновый резонатор затем настроили, как музыкальный камертон, в том или ином резонансе, что заставлял спины испускать фотон, поскольку они вернулись обратно в расслабленное состояние. Полость увеличила число состояний, в которых фотон может испускаться, что значительно увеличивает скорость распада электронных спинов контролируемым образом.

Большие атомы висмута, встроенные в образце кремния, обеспечивали электронам уникальные свойства спинов, что и позволило эксперимент.

"Мы сделали новый трюк с кремнием. Люди не ожидают, что можно выжать что-то новое из кремния", - сказал Шенкель. - "Сейчас мы в поисках дальнейшего совершенствовании висмута, легированного кремнием, и переноса спиновых свойств в другие материалы, чтобы использовать эту экспериментальную технику для этих материалов."

Чтобы повысить производительность материалов, используемых в будущих экспериментах, сказал Шенкель, надо будет улучшить процесс легирования, чтобы он меньше повреждал решетку кремния. Кроме того, процесс имплантации может быть предназначен для производства регулярно расположенных массивов отдельных электронных спинов, которые были бы более полезными для квантовых вычислений, чем концентрированный ансамбль электронных спинов.

"Мы сейчас проводим эксперименты по обработке этого и других материалов при более высокой температуре и давлении с наносекундными ионными импульсами на NDCX-II, одном из ускорителей в Лаборатории Беркли," - сказал Шенкель. - "Есть признаки того, что это улучшит общее качество отжима».

Исследователи говорят, что последние исследования потенциально могут оказаться полезными в повышении чувствительности научных методов, как спектроскопия ядерного магнитного резонанса и динамическая поляризация ядер, полезные для целого ряда экспериментов.

Бертер сказал, чтобы может быть возможным дальнейшее ускорение поведения переключения электронов до менее 1 миллисекунды, по сравнению со скоростью в 1 секунду в последних результатах.