光诱导开关机制的发现推动了光控量子计算的发展

时间:2020-04-27 23:02 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

光诱导开关机制的发现推动了光控量子计算的发展

艾姆斯实验室、布鲁克海文国家实验室和阿拉巴马大学伯明翰分校的科学家们发现了一种光诱导的狄拉克半金属开关机制。该机制建立了一种新的方式来控制拓扑材料,由原子和电子的来回运动驱动,这将使拓扑晶体管和量子计算使用光波。

就像半个多世纪以前,晶体管和光二极管取代了真空管一样,为了实现量子计算能力,科学家们正在设计原理和新型材料方面寻求类似的飞跃。当前的计算能力在复杂度、功耗、速度等方面面临着巨大的挑战;随着电子产品和芯片变得越来越热、越来越快,要超越物理极限,就需要更大的进步。特别是在小的范围内,这些问题已成为改善业绩的主要障碍。

光波拓扑工程试图克服所有这些挑战,通过驱动量子周期运动来引导电子和原子通过新的自由度,即光波。以前所未有的太赫兹频率(被定义为每秒1万亿个周期、时钟频率)进行拓扑结构和诱导转换,而不需要加热。艾姆斯实验室的资深科学家、爱荷华州立大学的物理学教授王基刚说。这种新的相干控制原理与迄今为止使用的任何平衡调谐方法(如电场、磁场和应变场)形成了鲜明的对比,这些方法的速度要慢得多,能量损耗也大得多。

大规模采用新的计算原理,比如量子计算,需要建造一些设备来保护脆弱的量子态不受其噪声环境的影响。一种方法是通过拓扑量子计算的发展,其中量子比特是基于对称保护的。准粒子不受噪音影响。

然而,研究这些拓扑材料的科学家们面临着一个挑战,如何建立和维持对这些独特量子行为的控制,使量子计算这样的应用成为可能。在这个实验中,王和他的同事证明了在Dirac半金属中利用光来控制量子态的方法。Dirac半金属是一种奇异的材料,由于它接近于广泛的拓扑相,所以表现出了极高的灵敏度。

我们采用了一种新的光量子控制原理,即模式选择拉曼声子相干振荡,利用短光脉冲驱动原子在平衡位置上的周期性运动,从而实现了这一目标。阿拉巴马大学伯明翰分校的物理学教授兼主席Ilias Perakis说。这些受驱动的量子涨落引起不同间隙和拓扑序的电子态之间的跃迁。

与这种动态切换类似的是周期性驱动的Kapitza’s摆,当应用高频振动时,它可以转换到一个倒立但稳定的位置。研究表明,这种经典的控制原理是可行的。驱动材料达到一个新的稳定状态,这是正常情况下所没有的。惊人地适用于广泛的拓扑相位和量子相变。

我们的工作开辟了一个由量子相干控制的光波拓扑电子学和相变的新领域。布鲁克海文国家实验室先进能源材料组组长李强说。这对于未来高速、低能耗的量子计算策略和电子学的发展具有重要意义。

光谱和数据分析在艾姆斯实验室进行。模型的建立和分析部分是在阿拉巴马大学伯明翰分校进行的。样品开发和磁输运测量在布鲁克海文国家实验室进行。密度泛函计算得到了埃姆斯实验室能源部能源前沿研究中心拓扑半金属发展中心的支持。

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参考文献:光驱动拉曼相干作为一种超快拓扑切换的非热路径作者:C. Vaswani, L.-L。王,穆迪扬塞拉吉,李,洛扎诺,顾,程,宋,等。罗,金,黄,刘,穆兹,即佩拉基斯,姚,何,王,2020年4月17日,物理评论X。

DOI: 10.1103 / PhysRevX.10.021013

艾姆斯实验室是由爱荷华州立大学运营的美国能源部科学办公室国家实验室。艾姆斯实验室创造创新的材料、技术和能源解决方案。我们利用我们的专业知识、独特的能力和跨学科合作来解决全球性问题。

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