(PhysOrg.com) -- De raadselachtige kwantumstip is de basisbouwsteen voor kwantumcomputers. EPFL-natuurkundigen hebben een nieuwe theorie ontwikkeld die aantoont dat puntsymmetrie voldoende is om de meeste van hun intrigerende optische eigenschappen te verklaren.

Natuurkundigen hebben een piramidale stip gemaakt van amper 100 nanometer hoog, ongeveer 200 atomen aan een kant. Door spanning toe te passen op deze miniatuurstructuur, de wetenschappers hebben een apparaat gemaakt dat licht kan uitstralen, die vervolgens kunnen worden gebruikt in toekomstige componenten van kwantumcomputers. Maar de weg naar dit nieuwe soort computergebruik is nog lang, vooral omdat het bepalen van de optische eigenschappen van deze kwantumstippen een gecompliceerde en rekenintensieve onderneming is. Marc-André Dupertuis en zijn team van EPFL's Laboratory of Physics of Nanostructures hebben voorgesteld, en observatie geverifieerd, een nieuwe natuurkundige theorie die niet alleen de tijd die nodig is om deze berekeningen uit te voeren verkort, maar ook, en bovenal, stelt ons eenvoudig in staat om de aard van deze vreemde objecten beter te begrijpen.

Wanneer elektrische ladingen in kwantumdots worden geïnjecteerd, ze beginnen te trillen. Dit is wat natuurkundigen de golffunctie noemen, die in dit geval een beetje trilt als de kop van een trommel. Je zou denken dat het simuleren van deze trillingen extreem complex zou zijn, maar Dupertuis realiseerde zich dat het golfgedrag, en dus het licht uitgezonden door de kwantumstip, voldoende kon worden bepaald door symmetrie. Daarom, de berekening kan worden vereenvoudigd met behulp van een bekend wiskundig hulpmiddel dat bekend staat als groepentheorie.

Beter begrip op de achterkant van een servet

De kracht van deze benadering is de relatieve eenvoud. De natuurkundigen kunnen de optische eigenschappen van kwantumstippen afleiden op basis van symmetrieën waarvan ze vermoeden dat ze er zijn, en controleer vervolgens de aanwezigheid van de symmetrieën experimenteel. “Berekeningen waarvoor tot nu toe supercomputers nodig waren, kunnen nu worden vervangen door andere berekeningen die op de achterkant van een servet kunnen worden gedaan, ', zegt Dupertuis.

Dupertuis moest een serieuze moeilijkheid overwinnen om met de theorie te komen - hij moest het voldoende kunnen vereenvoudigen, terwijl we nog steeds rekening houden met de vreemde eigenschappen die de kwantumwereld beheersen. Stel je een cake voor die in symmetrische plakjes is gesneden, maar waarvan de randen er niet allemaal hetzelfde uitzien; je zou de plakjes in een specifieke volgorde moeten rangschikken om de cake weer in elkaar te zetten. Dit is het soort wiskundige en kwantumuitdaging dat de fysicus aangaat.

Een veelbelovende vooruitgang

Dit obstakel terzijde, de methode is veelbelovend. “Met behulp van bewezen observatiemethoden, we kunnen precies de exacte symmetrie van de kwantumstip afleiden, evenals de eigenschappen van de elektrische lading die het bevat en zelfs wat voor soort fotonen het zal uitzenden.” Deze informatie zal nuttig zijn bij het ontwerpen van nieuwe apparaten die in kwantumcomputers kunnen worden gebruikt.