Noua metodă de control al spinului electronilor deschide calea pentru calculatoare cuantice eficiente

30 ianuarie 2023 (Știri Nanowerk) Știința cuantică are potențialul de a revoluționa tehnologia modernă cu calculatoare, comunicații și dispozitive de detectare mai eficiente. Totuși, provocările rămân în atingerea acestor obiective tehnologice, inclusiv modul de manipulare precisă a informațiilor în sistemele cuantice. Într-o lucrare publicată în Fizica naturii („Oscilații coerente spin-vale în siliciu”), un grup de cercetători de la Universitatea din Rochester, inclusiv John Nichol, profesor asociat de fizică, conturează o nouă metodă de control al spinului electronilor în punctele cuantice de siliciu - semiconductori mici, la scară nanometrică, cu proprietăți remarcabile - ca o modalitate de a manipula informațiile în un sistem cuantic. „Rezultatele studiului oferă un nou mecanism promițător pentru controlul coerent al qubiților bazat pe spinul electronilor în punctele cuantice semiconductoare, care ar putea deschide calea pentru dezvoltarea unui computer cuantic practic, bazat pe siliciu”, spune Nichol. Cercetătorii de la Universitatea din Rochester au dezvoltat o nouă metodă de manipulare a informațiilor din sistemele cuantice prin controlul spinului electronilor din punctele cuantice de siliciu. Electronii din siliciu experimentează un fenomen numit cuplare spin-vale între spin (săgețile în sus și în jos) și stările de vale (orbitali albastru și roșu). Când cercetătorii aplică o tensiune (strălucire albastră) electronilor din siliciu, ei valorifică efectul de cuplare spin-vale și pot manipula stările de spin și vale, controlând spinul electronului. (Imagine: Michael Osadciw)

Folosind puncte cuantice ca qubiți

Un computer obișnuit este format din miliarde de tranzistori care procesează biți (cea mai mică unitate de date pe care o poate procesa și stoca un computer). Calculatoarele cuantice, pe de altă parte, se bazează pe biți cuantici, cunoscuți și sub denumirea de qubiți. Spre deosebire de tranzistoarele obișnuite, care pot fi fie „0” (oprit) fie „1” (pornit), qubiții sunt guvernați de legile mecanicii cuantice și pot fi atât „0” cât și „1” în același timp. Oamenii de știință s-au gândit de mult timp la utilizarea siliciului puncte cuantice ca qubiți; controlul rotației electronilor în punctele cuantice ar oferi o modalitate de a manipula transferul de informații cuantice. Fiecare electron dintr-un punct cuantic are magnetism intrinsec, ca un magnet de bară minuscul. Oamenii de știință numesc acest „spin al electronului” – momentul magnetic asociat fiecărui electron – pentru că fiecare electron este o particulă încărcată negativ care se comportă ca și cum s-ar învârti rapid și această mișcare eficientă este cea care dă naștere magnetismului. Spinul electronilor este un candidat promițător pentru transferul, stocarea și procesarea informațiilor în calculul cuantic, deoarece oferă timpi lungi de coerență și fidelități mari de poartă și este compatibil cu tehnicile avansate de fabricare a semiconductoarelor. Timpul de coerență al unui qubit este timpul înainte ca informația cuantică să fie pierdută din cauza interacțiunilor cu un mediu zgomotos; o coerență lungă înseamnă un timp mai lung pentru efectuarea calculelor. Fidelitatea ridicată a porții înseamnă că operația cuantică pe care cercetătorii încearcă să o efectueze este efectuată exact așa cum doresc. O provocare majoră în utilizarea punctelor cuantice de siliciu ca qubiți este controlul spinului electronilor.

Controlul spinului electronilor

Metoda standard pentru controlul spinului electronilor este rezonanța spinului electronic (ESR), care implică aplicarea câmpurilor magnetice oscilante cu radiofrecvență la qubiți. Cu toate acestea, această metodă are mai multe limitări, inclusiv necesitatea de a genera și controla cu precizie câmpurile magnetice oscilante în medii criogenice, unde sunt operați majoritatea qubiților de spin a electronilor. De obicei, pentru a genera câmpuri magnetice oscilante, cercetătorii trimit un curent printr-un fir, iar aceasta generează căldură, care poate perturba mediile criogenice. Nichol și colegii săi schițează o nouă metodă pentru controlul spinului electronilor în punctele cuantice de siliciu care nu se bazează pe câmpurile electromagnetice oscilante. Metoda se bazează pe un fenomen numit „cuplare spin-vale”, care apare atunci când electronii din punctele cuantice de siliciu tranzitează între diferite stări de spin și vale. În timp ce starea de spin a unui electron se referă la proprietățile sale magnetice, starea de vale se referă la o proprietate diferită legată de profilul spațial al electronului. Cercetătorii aplică un impuls de tensiune pentru a valorifica efectul de cuplare spin-vale și pentru a manipula stările de spin și vale, controlând spinul electronilor. „Această metodă de control coerent, prin cuplarea spin-vale, permite controlul universal asupra qubiților și poate fi efectuată fără a fi nevoie de câmpuri magnetice oscilante, ceea ce este o limitare a ESR”, spune Nichol. „Acest lucru ne permite o nouă cale de utilizare a punctelor cuantice de siliciu pentru a manipula informațiile din computerele cuantice.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62272.php