Elektronik förlitar sig på rörelsen av negativt laddade elektroner. Fysiker strävar efter att förstå krafterna som driver dessa partiklar i rörelse, med målet att utnyttja sin kraft i ny teknik. Kvantdatorer, till exempel, anställa en flotta av exakt kontrollerade elektroner för att påta sig goliatberäkningsuppgifter. Nyligen, forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) visade hur mikrovågor skär in på elektronernas rörelser. Resultaten kan bidra till framtida kvantberäkningsteknik.

Normala dators logiska funktioner är baserade på nollor och sådana, och denna binära kod begränsar volymen och typen av information som maskinerna kan behandla. Subatomiska partiklar kan existera i mer än två diskreta tillstånd, så kvantdatorer utnyttjar elektroner för att knäcka komplexa data och utföra funktioner med whiplash -hastighet. För att hålla elektroner i limbo för experiment, forskare fångar partiklarna och utsätter dem för krafter som förändrar deras beteende.

I den nya studien, publicerad 18 december, 2018 i Fysisk granskning B , OIST-forskare fångade elektroner i en kyla, vakuumförseglade kammaren och utsatte dem för mikrovågor. Partiklarna och ljuset förändrade varandras rörelse och utbytte energi, vilket tyder på att det förseglade systemet potentiellt kan användas för att lagra kvantinformation - ett mikrochip av framtiden.

"Detta är ett litet steg mot ett projekt som kräver mycket mer forskning - skapa nya tillstånd av elektroner för kvantberäkning och lagring av kvantinformation, "sa Jiabao Chen, första författare till uppsatsen och en doktorand i OIST Quantum Dynamics Unit, ledd av prof. Denis Konstantinov.

Skickar elektroner som snurrar

Ljus, består av snabba, oscillerande elektriska och magnetiska fält kan skjuta runt laddad materia som den möter i miljön. Om ljuset vibrerar med samma frekvens som elektroner det möter, ljuset och partiklarna kan utbyta energi och information. När det inträffar, ljusets och elektronernas rörelse är "kopplad". Om energiutbytet sker snabbare än andra ljus-materia-interaktioner i miljön, rörelsen är "starkt kopplad". Här, forskarna bestämde sig för att uppnå ett starkt kopplat tillstånd med hjälp av mikrovågor.

"Att uppnå stark koppling är ett viktigt steg mot kvantmekanisk kontroll över partiklar med hjälp av ljus, "sa Chen." Detta kan vara viktigt om vi vill skapa något icke-klassiskt materiellt tillstånd. "

För att tydligt observera stark koppling, det hjälper till att isolera elektroner från vilseledande brus i deras miljö, som uppstår när elektroner kolliderar med närliggande material eller interagerar med värme. Forskare har studerat effekterna av mikrovågor på elektroner i halvledargränssnitt där en halvledare möter en isolator, vilket begränsar elektronernas rörelse till ett plan. Men halvledare innehåller orenheter som hindrar elektronernas naturliga rörelse.

Inget material är helt utan defekter, så Quantum Dynamics Unit väljer en alternativ lösning – isolera deras elektroner i kyliga vakuumförseglade kammare utrustade med två metallspeglar som reflekterar mikrovågor.

Kamrarna, små cylindriska behållare som kallas celler, var och en innehåller en pool av flytande helium som hålls vid en temperatur nära absolut noll. Helium förblir flytande vid denna extrema temperatur, men eventuella föroreningar som flyter inuti ämnet fryser och fastnar vid cellens sidor. Elektroner binder till heliumets yta, effektivt bildar ett tvådimensionellt ark. Forskare kan sedan utsätta de väntande elektronerna för elektromagnetisk strålning, som mikrovågor, genom att fånga ljuset mellan de två speglarna i cellen.

Detta relativt enkla system avslöjade mikrovågornas inflytande på elektronernas rotation - en effekt som hade varit osynlig hos halvledare.

"I vårt upplägg, vi kan tydligare bestämma förloppet för fysiska fenomen, "sa Dr. Oleksiy Zadorozhko, en författare på tidningen och postdoktor vid Quantum Dynamics Unit. "Vi fann att mikrovågor hade ett betydande inflytande på rörelsen på elektroner."

Sätter på Quantum Computing

Fysikerna beskrev sina resultat matematiskt och fann att fluktuationer i hastigheten, lokalisering eller total laddning av enskilda elektroner hade litet inflytande över de starka kopplingseffekterna. Istället, den genomsnittliga rörelsen för partiklar och mikrovågor, i massor, verkade utlösa ett utbyte av energi och information mellan dem.

Forskarna hoppas att i framtiden, det flytande heliumsystemet ger dem exakt kontroll över elektroner, så att de kan läsa, skriva och bearbeta kvantinformation som liknar hur vi lagrar standarddata på en hårddisk. Med ökad förståelse för detta system, Quantum Dynamics Unit syftar till att förbättra industristandarden för qubits – bitar av kvantinformation. Deras ansträngningar kan leda till utveckling av snabbare, kraftfullare kvantteknik.