En teknik för att manipulera elektroner med ljus kan få kvantberäkningar upp till rumstemperatur.

Ett team av forskare i Tyskland och vid University of Michigan har visat hur infraröda laserpulser kan flytta elektroner mellan två olika tillstånd, den klassiska 1 och 0, i ett tunt ark av halvledare.

"Vanlig elektronik är i intervallet gigahertz, en miljard operationer per sekund. Denna metod är en miljon gånger snabbare, sa Mackillo Kira, U-M professor i elektroteknik och datavetenskap.

Han ledde den teoretiska delen av studien, publiceras i tidskriften Natur , samarbetar med fysiker vid universitetet i Marburg i Tyskland. Experimentet gjordes vid universitetet i Regensburg i Tyskland.

Kvantberäkning kan lösa problem som tar för lång tid på konventionella datorer, utvecklande områden som artificiell intelligens, väderprognoser och läkemedelsdesign. Kvantdatorer får sin kraft från det sätt som deras kvantmekaniska bitar, eller qubits, är inte bara 1:or eller 0:or, men de kan vara blandningar – kända som superpositioner – av dessa tillstånd.

"I en klassisk dator, varje bitkonfiguration måste lagras och bearbetas en efter en medan en uppsättning qubits idealiskt kan lagra och bearbeta alla konfigurationer med en körning, sa Kira.

Detta innebär att när du vill titta på en massa möjliga lösningar på ett problem och hitta den bästa passformen, quantum computing kan ta dig dit mycket snabbare.

Men qubits är svåra att göra eftersom kvanttillstånd är extremt ömtåliga. Den huvudsakliga kommersiella vägen, eftersträvas av företag som Intel, IBM, Microsoft och D-Wave, använder supraledande kretsar—slingor av tråd kylda till extremt kalla temperaturer (-321°F eller mindre), där elektronerna slutar kollidera med varandra och istället bildar delade kvanttillstånd genom ett fenomen som kallas koherens.

Istället för att hitta ett sätt att hålla fast vid ett kvanttillstånd under lång tid, den nya studien visar ett sätt att göra bearbetningen innan staterna faller isär.

"I det långa loppet, vi ser en realistisk chans att introducera kvantinformationsenheter som utför operationer snabbare än en enda svängning av en ljusvåg, sa Rupert Huber, professor i fysik vid universitetet i Regensburg, som ledde experimentet. "Materialet är relativt lätt att göra, det fungerar i rumstempererad luft, och bara några få atomer tjocka, den är maximalt kompakt."

Materialet är ett enda lager volfram och selen i ett bikakegaller. Denna struktur producerar ett par elektrontillstånd som kallas pseudospins. Det är inte elektronens spinn (och även då, fysiker varnar för att elektroner faktiskt inte snurrar), men det är ett slags vinkelmomentum. Dessa två pseudospin kan koda 1 och 0.

Hubers team förde elektroner in i dessa tillstånd med snabba pulser av infrarött ljus, varar bara några femtosekunder (kvintiljondelar av en sekund). Den initiala pulsen har sin egen snurr, känd som cirkulär polarisering, som skickar elektroner till ett pseudospintillstånd. Sedan, ljuspulser som inte har ett spinn (linjärt polariserat) kan driva elektronerna från ett pseudospin till det andra - och tillbaka igen.

Genom att behandla dessa tillstånd som vanliga 1 och 0, det skulle kunna vara möjligt att skapa en ny typ av "lightwave"-dator med de miljon gånger snabbare klockhastigheter som Kira nämnde. Den första utmaningen längs den här rutten kommer att vara att använda ett tåg av laserpulser för att "vända" pseudospinnarna efter behag.

Men elektronerna kan också bilda superpositionstillstånd mellan de två pseudospinna. Med en serie pulser, det bör vara möjligt att utföra beräkningar tills elektronerna faller ur sitt koherenta tillstånd. Teamet visade att de kunde vända en qubit tillräckligt snabbt för att utföra en rad operationer - i princip, det är tillräckligt snabbt för att fungera i en kvantprocessor.

Dessutom, elektronerna sänder ständigt ut ljus som gör det lätt att läsa en qubit utan att störa dess känsliga kvanttillstånd. Medurs cirkulär polarisation indikerar ett pseudospintillstånd, moturs den andra.

Nästa steg mot kvantberäkning är att få igång två qubits samtidigt, tillräckligt nära varandra för att de interagerar. Detta kan innebära att stapla de platta halvledarskikten eller använda nanostruktureringstekniker för att avskärma qubits inom ett enda ark, till exempel.