Een techniek om elektronen met licht te manipuleren zou quantum computing op kamertemperatuur kunnen brengen.

Een team van onderzoekers in Duitsland en aan de Universiteit van Michigan heeft aangetoond hoe infrarode laserpulsen elektronen tussen twee verschillende toestanden kunnen verschuiven. de klassieke 1 en 0, in een dun vel halfgeleider.

"Gewone elektronica ligt in het bereik van gigahertz, een miljard bewerkingen per seconde. Deze methode is een miljoen keer sneller, " zei Mackillo Kira, U-M hoogleraar elektrotechniek en informatica.

Hij leidde het theoretische deel van de studie, te publiceren in het tijdschrift Natuur , in samenwerking met natuurkundigen aan de Universiteit van Marburg in Duitsland. Het experiment werd gedaan aan de Universiteit van Regensburg in Duitsland.

Quantum computing kan problemen oplossen die te lang duren op conventionele computers, vooruitstrevende gebieden zoals kunstmatige intelligentie, weersvoorspellingen en medicijnontwerp. Kwantumcomputers halen hun kracht uit de manier waarop hun kwantummechanische bits, of qubits, zijn niet alleen maar enen of nullen, maar het kunnen mengsels zijn - ook wel superposities genoemd - van deze toestanden.

"In een klassieke computer, elke bitconfiguratie moet één voor één worden opgeslagen en verwerkt, terwijl een set qubits idealiter alle configuraties met één run kan opslaan en verwerken, ' zei Kyra.

Dit betekent dat wanneer u een heleboel mogelijke oplossingen voor een probleem wilt bekijken en de beste oplossing wilt vinden, quantum computing kan je daar veel sneller brengen.

Maar qubits zijn moeilijk te maken omdat kwantumtoestanden extreem kwetsbaar zijn. De belangrijkste handelsroute, nagestreefd door bedrijven als Intel, IBM, Microsoft en D Wave, maakt gebruik van supergeleidende circuits - draadlussen die worden gekoeld tot extreem lage temperaturen (-321 ° F of minder), waarbij de elektronen niet meer met elkaar in botsing komen en in plaats daarvan gedeelde kwantumtoestanden vormen door een fenomeen dat bekend staat als coherentie.

In plaats van een manier te vinden om lang vast te houden aan een kwantumtoestand, de nieuwe studie toont een manier aan om de verwerking uit te voeren voordat de staten uit elkaar vallen.

"Op lange termijn, we een realistische kans zien om kwantuminformatie-apparaten te introduceren die operaties sneller uitvoeren dan een enkele oscillatie van een lichtgolf, " zei Rupert Huber, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Regensburg, die het experiment leidde. "Het materiaal is relatief eenvoudig te maken, het werkt in lucht op kamertemperatuur, en slechts een paar atomen dik, het is maximaal compact."

Het materiaal is een enkele laag wolfraam en selenium in een honingraatrooster. Deze structuur produceert een paar elektronentoestanden die bekend staan ​​​​als pseudospins. Het is niet de spin van het elektron (en zelfs dan, natuurkundigen waarschuwen dat elektronen niet echt ronddraaien), maar het is een soort impulsmoment. Deze twee pseudospins kunnen de 1 en 0 coderen.

Huber's team prikte elektronen in deze toestanden met snelle pulsen van infrarood licht, die slechts een paar femtoseconden (kwintiljoenste van een seconde) duren. De initiële puls heeft zijn eigen spin, bekend als circulaire polarisatie, die elektronen naar één pseudospin-toestand stuurt. Vervolgens, lichtpulsen die geen spin hebben (lineair gepolariseerd) kunnen de elektronen van de ene pseudospin naar de andere duwen - en weer terug.

Door deze toestanden te behandelen als gewone 1 en 0, het zou mogelijk kunnen zijn om een ​​nieuw soort 'lichtgolf'-computer te maken met de miljoen keer hogere kloksnelheden die Kira noemde. De eerste uitdaging langs deze route zal zijn om een ​​reeks laserpulsen te gebruiken om de pseudospins naar believen te "omdraaien".

Maar de elektronen kunnen ook superpositietoestanden vormen tussen de twee pseudospins. Met een reeks pulsen, het moet mogelijk zijn berekeningen uit te voeren totdat de elektronen uit hun coherente toestand vallen. Het team toonde aan dat ze een qubit snel genoeg konden omdraaien om een ​​reeks bewerkingen uit te voeren - in feite, het is snel genoeg om in een kwantumprocessor te werken.

Bovendien, de elektronen zenden constant licht uit dat het gemakkelijk maakt om een ​​qubit te lezen zonder de delicate kwantumtoestand te verstoren. Met de klok mee circulaire polarisatie geeft één pseudospin-toestand aan, tegen de klok in de andere.

De volgende stappen in de richting van quantum computing zijn om twee qubits tegelijk aan de gang te krijgen, dicht genoeg bij elkaar om interactie te hebben. Dit kan inhouden dat de platte vellen halfgeleider worden gestapeld of nanostructureringstechnieken worden gebruikt om qubits binnen een enkel vel af te schermen, bijvoorbeeld.