Исследователи построили устройство – который использует о миллионном, который электрический ток должен был привести фен в действие – исследуя, как использовать квантовые точки, которые являются частями полупроводникового материала, которые действуют как единственные атомы как компоненты для квантовых компьютеров.«Это в основном столь маленькое, как Вы можете пойти с этими одно-электронными устройствами», сказал Джейсон Петта, адъюнкт-профессор физики в Принстоне, который привел исследование, которое было опубликовано в журнале Science.Устройство демонстрирует важный шаг вперед для усилий построить вычисляющие квант системы из полупроводниковых материалов, по словам соавтора и сотрудника Джейкоба Тейлора, дополнительного доцента в Совместном Квантовом Институте, Университете Мэриленда-национальном институте стандартов и технологий. «Я полагаю, что это действительно важный результат для нашей долгосрочной цели, которая является запутанностью между квантовыми битами в основанных на полупроводнике устройствах», сказал Тейлор.Оригинальная цель проекта не состояла в том, чтобы построить квантовый генератор, но исследовать, как использовать двойные квантовые точки – которые являются двумя квантовыми объединенными точками – как квантовые биты, или кубиты, основные единицы информации в квантовых компьютерах.
«Цель состояла в том, чтобы заставить двойные квантовые точки общаться друг с другом», сказал Иньюй Лю, аспирант физики в лаборатории Петты. Команда также включала аспиранта Иржи Стехлика и объединенного ученого Кристофера Эйчлера в Отделе Принстона Физики, а также постдокторского исследователя Майкла Галлэнса из Совместного Квантового Института.Поскольку квантовые точки могут общаться через запутанность световых частиц или фотоны, исследователи проектировали точки, которые испускают фотоны, когда единственные электроны прыгают от более высокого энергетического уровня до более низкого энергетического уровня, чтобы пересечь двойную точку.
Каждая двойная квантовая точка может только передать один электрон за один раз, объяснил Петта. «Это похоже на линию людей, пересекающих широкий поток, прыгая на скалу, столь небольшую, что это может только держать одного человека», сказал он. «Они вынуждены пересечь поток по одному. Эти двойные квантовые точки нулевые размерные, насколько электроны затронуты – они пойманы в ловушку во всех трех пространственных размерах».Исследователи изготовили двойные квантовые точки от чрезвычайно тонких нанопроводов (приблизительно 50 миллимикронов или одной миллиардной метра, в диаметре) сделанный из полупроводникового материала, названного индиевым арсенидом.
Они скопировали индиевые провода арсенида по другим металлическим проводам еще меньшего размера, которые действуют как электроды ворот, которые управляют энергетическими уровнями в точках.Чтобы построить квантовый генератор, они поместили две двойных точки на расстоянии в приблизительно 6 миллиметров во впадину, сделанную из материала сверхпроводимости, ниобия, который требует температуры около абсолютного нуля, вокруг минус 459 градусов по Фаренгейту. «Это – первый раз, когда команда в Принстоне продемонстрировала, что есть связь между двумя двойными квантовыми точками, отделенными почти сантиметром, существенным расстоянием», сказал Тейлор.Когда устройство было включено, электроны текли единственный файл через каждую двойную квантовую точку, заставляя их испустить фотоны в микроволновой области спектра.
Эти фотоны тогда подпрыгнули от зеркал в каждом конце впадины, чтобы встроить в последовательный луч микроволнового света.Одно преимущество нового квантового генератора состоит в том, что энергетические уровни в точках могут быть точно настроены, чтобы произвести свет на других частотах, которые не могут быть сделаны с другими полупроводниковыми лазерами, в которых частота зафиксирована во время производства, сказал Петта. Чем больше разность энергий между этими двумя уровнями, тем выше частота света испущена.
Клэр Гмакль, которая не была вовлечена в исследование и является профессором Юджина Хиггинса Принстона Электротехники и пионером в области полупроводниковых лазеров, сказала, что, потому что лазеры, квантовые генераторы и другие формы источников когерентного света используются в коммуникациях, ощущении, медицине и многих других аспектах современной жизни, исследование – важное.«В данной статье исследователи копают глубоко в фундаментальное взаимодействие между светом и движущимся электроном», сказал Гмакль. «Двойная квантовая точка позволяет им полный контроль над движением даже единственного электрона, и в ответ они показывают, как последовательная микроволновая область создана и усилена. Обучение управлять этими фундаментальными процессами взаимодействия легкого вопроса поможет в будущем развитии источников света».Работа, «Полупроводник двойной квантовый микроквантовый генератор точки», была опубликована в журнале Science 16 января 2015.
Исследование было поддержано Фондом Дэвида и Лусил Пэкард, Национальным научным фондом (DMR-1409556 и DMR-1420541), Defense Advanced Research Projects Agency QuEST (HR0011 09 1 0007) и армейское Исследовательское управление (W911NF 08 1 0189).