L'elettronica si basa sul movimento di elettroni con carica negativa. I fisici si sforzano di comprendere le forze che spingono queste particelle in movimento, con l'obiettivo di sfruttare la loro potenza nelle nuove tecnologie. computer quantistici, ad esempio, impiega una flotta di elettroni controllati con precisione per svolgere compiti computazionali da golia. Recentemente, i ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno dimostrato come le microonde intervengono sui movimenti degli elettroni. I risultati potrebbero contribuire alla futura tecnologia di calcolo quantistico.

Le operazioni logiche dei normali computer sono basate su zero e uno, e questo codice binario limita il volume e il tipo di informazioni che le macchine possono elaborare. Le particelle subatomiche possono esistere in più di due stati discreti, così i computer quantistici sfruttano gli elettroni per sgretolare dati complessi ed eseguire funzioni alla velocità di un colpo di frusta. Per mantenere gli elettroni nel limbo per gli esperimenti, gli scienziati catturano le particelle e le espongono a forze che ne alterano il comportamento.

Nel nuovo studio, pubblicato il 18 dicembre, 2018 in Revisione fisica B , I ricercatori dell'OIST hanno intrappolato gli elettroni in un gelido, camera sottovuoto e sottoposti a microonde. Le particelle e la luce alteravano il movimento reciproco e scambiavano energia, il che suggerisce che il sistema sigillato potrebbe essere potenzialmente utilizzato per archiviare informazioni quantistiche, un microchip del futuro.

"Questo è un piccolo passo verso un progetto che richiede molta più ricerca, la creazione di nuovi stati di elettroni allo scopo del calcolo quantistico e l'archiviazione di informazioni quantistiche, " disse Jiabao Chen, primo autore del documento e uno studente laureato presso l'OIST Quantum Dynamics Unit, guidato dal Prof. Denis Konstantinov.

Invio di elettroni in rotazione

Leggero, composto da veloce, i campi elettrici e magnetici oscillanti possono spingere la materia carica che incontra nell'ambiente. Se la luce vibra alla stessa frequenza degli elettroni che incontra, la luce e le particelle possono scambiare energia e informazioni. Quando ciò si verifica, il moto della luce e degli elettroni è "accoppiato". Se lo scambio di energia avviene più rapidamente di altre interazioni luce-materia nell'ambiente, la mozione è "fortemente accoppiata". Qui, gli scienziati si sono proposti di ottenere uno stato fortemente accoppiato utilizzando le microonde.

"Raggiungere un forte accoppiamento è un passo importante verso il controllo della meccanica quantistica sulle particelle che utilizzano la luce, " ha detto Chen. "Questo può essere importante se vogliamo generare uno stato non classico della materia."

Per osservare chiaramente un forte accoppiamento, aiuta a isolare gli elettroni dal rumore fuorviante nel loro ambiente, che si verifica quando gli elettroni si scontrano con la materia vicina o interagiscono con il calore. Gli scienziati hanno studiato l'impatto delle microonde sugli elettroni nelle interfacce dei semiconduttori in cui un semiconduttore incontra un isolante, confinando così il movimento degli elettroni su un piano. Ma i semiconduttori contengono impurità che impediscono il movimento naturale degli elettroni.

Nessun materiale è completamente privo di difetti, quindi la Quantum Dynamics Unit opta per una soluzione alternativa:isolare i loro elettroni in camere gelide sigillate sotto vuoto dotate di due specchi metallici che riflettono le microonde.

Le camere, piccoli contenitori cilindrici chiamati celle, contengono ciascuno un pool di elio liquido mantenuto a una temperatura prossima allo zero assoluto. L'elio rimane liquido a questa temperatura estrema, ma tutte le impurità che galleggiano all'interno della sostanza si congelano e si attaccano ai lati della cellula. Gli elettroni si legano alla superficie dell'elio, formando efficacemente un foglio bidimensionale. I ricercatori possono quindi esporre gli elettroni in attesa alla radiazione elettromagnetica, come microonde, catturando la luce tra i due specchi all'interno della cella.

Questo sistema relativamente semplice ha rivelato l'influenza delle microonde sulla rotazione degli elettroni, un effetto che era stato invisibile nei semiconduttori.

"Nel nostro assetto, possiamo determinare più chiaramente il corso dei fenomeni fisici, " ha detto il dottor Oleksiy Zadorozhko, un autore sulla carta e studioso post-dottorato nella Quantum Dynamics Unit. "Abbiamo scoperto che le microonde hanno avuto un'influenza significativa sul movimento degli elettroni".

Accensione dell'informatica quantistica

I fisici hanno descritto le loro scoperte matematicamente e hanno scoperto che le fluttuazioni della velocità, la posizione o la carica complessiva dei singoli elettroni ha avuto poca influenza sui forti effetti di accoppiamento. Anziché, il movimento medio di particelle e microonde, in massa, sembrava innescare uno scambio di energia e di informazioni tra di loro.

I ricercatori sperano che in futuro, il sistema ad elio liquido garantirà loro un controllo preciso sugli elettroni, consentendo loro di leggere, scrivere ed elaborare informazioni quantistiche in modo simile a come memorizziamo i dati standard su un disco rigido. Con una migliore comprensione di questo sistema, la Quantum Dynamics Unit mira a migliorare lo standard del settore per i qubit - bit di informazioni quantistiche. I loro sforzi possono portare allo sviluppo di più veloci, tecnologie quantistiche più potenti.