Rochester Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, silikon kuantum noktalarındaki elektronların dönüşünü kontrol ederek kuantum sistemlerindeki bilgileri manipüle etmek için yeni bir yöntem geliştirdi. Silikondaki elektronlar, dönüşleri (yukarı ve aşağı oklar) ve vadi durumları (mavi ve kırmızı yörüngeler) arasında spin-vadi eşleşmesi adı verilen bir fenomeni deneyimler. Araştırmacılar silikondaki elektronlara bir voltaj (mavi parıltı) uyguladıklarında, dönüş-vadi eşleme etkisinden yararlanırlar ve elektron dönüşünü kontrol ederek dönüş ve vadi durumlarını manipüle edebilirler. Kredi: Rochester Üniversitesi illüstrasyonu / Michael Osadciw
Rochester Üniversitesi’ndeki bilim adamları, elektron spin rezonansının sınırlamalarını aşan bir yöntem geliştirdiler.
Kuantum bilimi, dönüştürme potansiyeline sahiptir. daha verimli bilgisayarların, iletişim sistemlerinin ve algılama cihazlarının yaratılması yoluyla modern teknoloji. Bu heyecan verici olasılıklara rağmen, özellikle kuantum sistemlerindeki bilgilerin tam olarak manipüle edilmesi söz konusu olduğunda, bu hedeflerin gerçekleştirilmesine yönelik zorluklar devam etmektedir.
Fizik Doçenti John Nichol liderliğindeki Rochester Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi , Nature Physics’te, bir kuantum sistemindeki bilgileri manipüle etmenin bir yolu olarak silikon kuantum noktalarında (olağanüstü özelliklere sahip küçük, nano ölçekli yarı iletkenler) elektron dönüşünü manipüle etmeye yönelik yeni bir yaklaşımı özetleyen bir makale yayınladı.
“Sonuçlar Nichol, bu çalışma, yarı iletken kuantum noktalarındaki elektron dönüşüne dayalı olarak kübitlerin tutarlı kontrolü için umut verici yeni bir mekanizma sağlıyor ve bu, silikon tabanlı pratik bir kuantum bilgisayarının geliştirilmesinin önünü açabilir,” diyor Nichol.
Kuantum kullanarak qubit olarak noktalar
Sıradan bir bilgisayar, bit adı verilen milyarlarca transistörden oluşur. Kuantum bilgisayarlar ise qubit olarak da bilinen kuantum bitlerine dayalıdır. “0” (kapalı) veya “1” (açık) olabilen sıradan transistörlerin aksine, kübitler kuantum mekaniği yasalarına tabidir ve aynı anda hem “0” hem de “1” olabilir.
Bilim adamları uzun süredir silikon kuantum noktalarını kübit olarak kullanmayı düşünüyorlar; kuantum noktalarında elektronların dönüşünü kontrol etmek, kuantum bilgisinin transferini manipüle etmenin bir yolunu sunabilir. Bir kuantum noktasındaki her elektron, küçük bir çubuk mıknatıs gibi içsel bir manyetizmaya sahiptir. Bilim adamları buna “elektron dönüşü” (her bir elektronla ilişkili manyetik moment) diyorlar çünkü her elektron, sanki hızla dönüyormuş gibi davranan negatif yüklü bir parçacıktır ve manyetizmaya yol açan da bu etkili harekettir.
{ 8}Elektron dönüşü, uzun tutarlılık süreleri ve yüksek geçit doğruluğu sunduğu ve gelişmiş yarı iletken üretim teknikleriyle uyumlu olduğu için, kuantum hesaplamada bilgi aktarımı, depolaması ve işlenmesi için umut verici bir adaydır. Bir kübitin tutarlılık süresi, gürültülü bir ortamla etkileşim nedeniyle kuantum bilgisinin kaybolmasından önceki süredir; uzun tutarlılık, hesaplamaları gerçekleştirmek için daha uzun bir süre anlamına gelir. Yüksek geçit doğruluğu, araştırmacıların gerçekleştirmeye çalıştıkları kuantum işleminin tam olarak istedikleri gibi gerçekleştirildiği anlamına gelir.
Ancak, silikon kuantum noktalarını kübitler olarak kullanmanın en büyük zorluklarından biri, elektron dönüşünü kontrol etmektir.
Elektron dönüşünü kontrol etme
Elektron dönüşünü kontrol etmenin standart yöntemi, kübitlere salınan radyo frekansı manyetik alanlarının uygulanmasını içeren elektron dönüş rezonansıdır (ESR). Bununla birlikte, bu yöntemin, çoğu elektron spin kübitinin çalıştırıldığı kriyojenik ortamlarda salınımlı manyetik alanları oluşturma ve hassas bir şekilde kontrol etme ihtiyacı da dahil olmak üzere çeşitli sınırlamaları vardır. Tipik olarak, salınan manyetik alanlar oluşturmak için araştırmacılar bir telden bir akım gönderir ve bu, kriyojenik ortamları bozabilecek ısı üretir.
Nichol ve meslektaşları, silikon kuantum noktalarında elektron dönüşünü kontrol etmek için yeni bir yöntemin ana hatlarını çiziyor. salınan elektromanyetik alanlara dayanmaz. Yöntem, silikon kuantum noktalarındaki elektronlar farklı spin ve vadi durumları arasında geçiş yaptığında ortaya çıkan “spin-vadi eşleşmesi” adı verilen bir olguya dayanmaktadır. Bir elektronun dönme durumu, manyetik özelliklerini ifade ederken, vadi durumu, elektronun uzamsal profiliyle ilgili farklı bir özelliği ifade eder.
Araştırmacılar, dönüş-vadi eşleşmesi etkisini kullanmak ve manipüle etmek için bir voltaj darbesi uygular. spin ve vadi durumları, elektron spinini kontrol eder.
“Spin-vadi eşleşmesi yoluyla tutarlı kontrolün bu yöntemi, kübitler üzerinde evrensel kontrol sağlar ve salınan manyetik alanlara ihtiyaç olmadan gerçekleştirilebilir; ESR’nin bir sınırlamasıdır,” diyor Nichol. “Bu bize, kuantum bilgisayarlardaki bilgileri manipüle etmek için silikon kuantum noktalarını kullanmak için yeni bir yol sağlıyor.”
Referans: “Coherent spin-valley oscillations in silicon” yazan Xinxin Cai, Elliot J. Connors, Lisa F. Edge ve John M. Nichol, 9 Ocak 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01870-y
Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edildi ve Ordu Araştırma Ofisi.