Elektronica is afhankelijk van de beweging van negatief geladen elektronen. Natuurkundigen proberen de krachten te begrijpen die deze deeltjes in beweging brengen, met als doel hun kracht in nieuwe technologieën te benutten. Kwantumcomputers, bijvoorbeeld, gebruik een vloot van nauwkeurig gecontroleerde elektronen om de rekentaken van Goliath op zich te nemen. Onlangs, onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) toonden aan hoe microgolven ingrijpen op de bewegingen van elektronen. De bevindingen kunnen bijdragen aan toekomstige quantum computing-technologie.

De logische bewerkingen van normale computers zijn gebaseerd op nullen en enen, en deze binaire code beperkt het volume en het type informatie dat de machines kunnen verwerken. Subatomaire deeltjes kunnen in meer dan twee afzonderlijke toestanden voorkomen, dus kwantumcomputers gebruiken elektronen om complexe gegevens te kraken en functies met whiplash-snelheid uit te voeren. Om elektronen in het ongewisse te houden voor experimenten, wetenschappers vangen de deeltjes en stellen ze bloot aan krachten die hun gedrag veranderen.

In de nieuwe studie gepubliceerd op 18 december 2018 in Fysieke beoordeling B , OIST-onderzoekers vingen elektronen op in een ijskoude, vacuüm afgesloten kamer en onderworpen aan microgolven. De deeltjes en het licht veranderden elkaars beweging en wisselden energie uit, wat suggereert dat het verzegelde systeem mogelijk kan worden gebruikt om kwantuminformatie op te slaan - een microchip van de toekomst.

"Dit is een kleine stap in de richting van een project dat veel meer onderzoek vereist - het creëren van nieuwe toestanden van elektronen voor kwantumcomputers en het opslaan van kwantuminformatie, " zei Jiabao Chen, eerste auteur van het papier en een afgestudeerde student in de OIST Quantum Dynamics Unit, onder leiding van prof. Denis Konstantinov.

Elektronen laten draaien

Licht, samengesteld uit snel, oscillerende elektrische en magnetische velden kunnen geladen materie verplaatsen die het in de omgeving tegenkomt. Als licht trilt met dezelfde frequentie als elektronen die het tegenkomt, het licht en de deeltjes kunnen energie en informatie uitwisselen. Wanneer dat gebeurt, de beweging van het licht en de elektronen is "gekoppeld". Als de energie-uitwisseling sneller plaatsvindt dan andere licht-materie-interacties in de omgeving, de beweging is "sterk gekoppeld". Hier, de wetenschappers wilden een sterk gekoppelde toestand bereiken met behulp van microgolven.

"Het bereiken van een sterke koppeling is een belangrijke stap in de richting van kwantummechanische controle over deeltjes met behulp van licht, "zei Chen. "Dit kan belangrijk zijn als we een niet-klassieke toestand van materie willen genereren."

Om sterke koppeling duidelijk waar te nemen, het helpt om elektronen te isoleren van misleidende ruis in hun omgeving, die ontstaat wanneer elektronen botsen met nabijgelegen materie of in wisselwerking staan ​​met warmte. Wetenschappers hebben de impact van microgolven op elektronen bestudeerd in halfgeleiderinterfaces waarin een halfgeleider een isolator ontmoet, waardoor de beweging van elektronen tot één vlak wordt beperkt. Maar halfgeleiders bevatten onzuiverheden die de natuurlijke beweging van elektronen belemmeren.

Geen enkel materiaal is volledig vrij van gebreken, dus kiest de Quantum Dynamics Unit voor een alternatieve oplossing - het isoleren van hun elektronen in ijskoude vacuümverzegelde kamers die zijn uitgerust met twee metalen spiegels die microgolven reflecteren.

de kamers, kleine cilindrische containers genaamd cellen, elk bevat een plas vloeibaar helium dat op een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt wordt gehouden. Helium blijft vloeibaar bij deze extreme temperatuur, maar alle onzuiverheden die in de substantie drijven, bevriezen en klampen zich vast aan de zijkanten van de cel. Elektronen binden aan het oppervlak van het helium, effectief een tweedimensionaal blad vormen. Onderzoekers kunnen de wachtende elektronen dan blootstellen aan elektromagnetische straling, zoals magnetrons, door het licht op te vangen tussen de twee spiegels in de cel.

Dit relatief eenvoudige systeem onthulde de invloed van microgolven op de rotatie van elektronen - een effect dat onzichtbaar was in halfgeleiders.

"In onze opstelling we kunnen het verloop van fysieke verschijnselen duidelijker bepalen, " zei Dr. Oleksiy Zadorozhko, een auteur op het papier en postdoctoraal onderzoeker in de Quantum Dynamics Unit. "We ontdekten dat microgolven een significante invloed hadden op de beweging van elektronen."

Quantum Computing inschakelen

De natuurkundigen beschreven hun bevindingen wiskundig en ontdekten dat fluctuaties in de snelheid, locatie of totale lading van individuele elektronen had weinig invloed op de sterke koppelingseffecten. In plaats daarvan, de gemiddelde beweging van deeltjes en microgolven, massaal, leek een uitwisseling van energie en informatie tussen hen op gang te brengen.

De onderzoekers hopen dat in de toekomst het vloeibare heliumsysteem geeft hen nauwkeurige controle over elektronen, waardoor ze kunnen lezen, kwantuminformatie schrijven en verwerken, vergelijkbaar met hoe we standaardgegevens op een harde schijf opslaan. Met een beter begrip van dit systeem, de Quantum Dynamics Unit heeft tot doel de industriestandaard voor qubits - bits van kwantuminformatie - te verbeteren. Hun inspanningen kunnen leiden tot de ontwikkeling van snellere, krachtigere kwantumtechnologieën.