В шаге, который приближает квантовые компьютеры на основе кремния к реальности, исследователи из Принстонского университета создали устройство, в котором один электрон может передавать свою квантовую информацию частице света. Частица света, или фотон, затем может действовать как посредник, передающий информацию другим электронам, создавая соединения, формирующие схемы квантового компьютера.
Исследование, опубликованное в журнале Science и проведенное в Принстоне и лабораториях HRL в Малибу, Калифорния, представляет собой более чем пятилетнюю работу по созданию надежной способности электрона разговаривать с фотоном, сказал Джейсон Петта., профессор физики в Принстоне.
«Как и в случае с человеческим взаимодействием, для хорошего общения необходимо проработать ряд вещей - это помогает говорить на одном языке и так далее», - сказала Петта. «Мы можем привести энергию электронного состояния в резонанс с частицей света, чтобы они могли разговаривать друг с другом».
Открытие поможет исследователям использовать свет для связывания отдельных электронов, которые действуют как биты или мельчайшие единицы данных в квантовом компьютере. Квантовые компьютеры - это передовые устройства, которые, когда они будут реализованы, смогут выполнять расширенные вычисления с использованием мельчайших частиц, таких как электроны, которые следуют квантовым правилам, а не физическим законам повседневного мира.
Каждый бит в обычном компьютере может иметь значение 0 или 1. Квантовые биты, известные как кубиты, могут находиться в состоянии 0, 1 или в состоянии 0 и 1 одновременно. Эта суперпозиция, как известно, позволяет квантовым компьютерам решать сложные вопросы, которые не могут решить современные компьютеры.
Простые квантовые компьютеры уже были созданы с использованием захваченных ионов и сверхпроводников, но технические проблемы замедлили разработку квантовых устройств на основе кремния. Кремний - очень привлекательный материал, потому что он недорогой и уже широко используется в современных смартфонах и компьютерах.
Исследователи захватили в устройстве электрон и фотон, а затем отрегулировали энергию электрона таким образом, чтобы квантовая информация могла передаваться фотону. Эта связь позволяет фотону переносить информацию от одного кубита к другому, расположенному на расстоянии до сантиметра.
Квантовая информация чрезвычайно хрупка - она может быть полностью утеряна из-за малейшего возмущения со стороны окружающей среды. Фотоны более устойчивы к разрушениям и потенциально могут переносить квантовую информацию не только от кубита к кубиту в схеме квантового компьютера, но и между квантовыми чипами по кабелям.
Для того, чтобы эти два очень разных типа частиц могли общаться друг с другом, исследователи должны были создать устройство, которое обеспечивало бы правильную среду. Сначала Питер Дилман из HRL Laboratories, корпоративной научно-исследовательской лаборатории, принадлежащей компаниям Boeing и General Motors, изготовил полупроводниковый чип из слоев кремния и кремния-германия. Эта структура захватила один слой электронов под поверхностью чипа. Затем исследователи из Принстона проложили крошечные провода, каждый толщиной в долю человеческого волоса, через верхнюю часть устройства. Эти нанометровые провода позволили исследователям подавать напряжения, которые создавали энергетический ландшафт, способный улавливать один электрон, удерживая его в области кремния, называемой двойной квантовой точкой..
Исследователи использовали те же провода, чтобы отрегулировать уровень энергии захваченного электрона, чтобы он соответствовал уровню фотона, который находится в сверхпроводящей полости, изготовленной поверх кремниевой пластины.
До этого открытия полупроводниковые кубиты могли быть связаны только с соседними кубитами. Используя свет для соединения кубитов, можно передавать информацию между кубитами на противоположных концах чипа.
Квантовая информация электрона состоит не более чем из местоположения электрона в одном из двух энергетических карманов в двойной квантовой точке. Электрон может занимать один или другой карман или оба одновременно. Управляя напряжением, подаваемым на устройство, исследователи могут контролировать, какой карман занимает электрон.
«Теперь у нас есть возможность фактически передавать квантовое состояние фотону, находящемуся в полости», - сказал Сяо Ми, аспирант физического факультета Принстона и первый автор статьи. «Это никогда не делалось раньше в полупроводниковом устройстве, потому что квантовое состояние было потеряно до того, как оно смогло передать свою информацию».
Успех устройства обусловлен новой конструкцией схемы, которая приближает провода к кубиту и снижает помехи от других источников электромагнитного излучения. Чтобы уменьшить этот шум, исследователи поставили фильтры, удаляющие посторонние сигналы с проводов, ведущих к устройству. Металлические провода также экранируют кубит. В результате кубиты в 100-1000 раз менее шумные, чем те, что использовались в предыдущих экспериментах.
В конечном итоге исследователи планируют расширить возможности устройства для работы с неотъемлемым свойством электрона, известным как его спин. «В долгосрочной перспективе нам нужны системы, в которых спин и заряд связаны друг с другом, чтобы создать спиновый кубит, которым можно управлять электрически», - сказал Петта. «Мы показали, что можем когерентно связать электрон со светом, и это важный шаг к связыванию спина со светом».