新发现有助于缩小光学控制量子计算的差距

时间:2020-04-22 17:19 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

新发现有助于缩小光学控制量子计算的差距

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材料方面寻找类似的飞跃。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,通过新的自由度来引导电子和原子。艾姆斯实验室的高级科学家、爱荷华州立大学的物理学教授王基钢说:“在没有加热的情况下,用前所未有的太赫兹频率(每秒1万亿周期)来定义时钟频率,实现拓扑结构和诱导跃迁。”“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形成了鲜明的对比,如电场、磁场和应变场,它们的速度要慢得多,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,其中量子位元是基于“对称保护的”不受噪声影响的准粒子。

然而,研究这些拓扑材料的科学家面临着一个挑战——如何建立和维持对这些独特的量子行为的控制,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。

阿拉巴马大学伯明翰分校的物理学教授兼主席Ilias Perakis说:“我们通过应用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关于平衡位置的周期性运动,实现了这一目标。”这些受驱动的量子涨落会引起不同间隙和拓扑序的电子态之间的跃迁。

这种动态切换的一个类比是周期性驱动的Kapitza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。研究者的工作表明,这一经典的控制原理——将材料驱动到一个新的稳定状态——令人惊讶地适用于广泛的拓扑相位和量子相变。

“我们的工作为光波拓扑电子学和量子相干控制的相变开辟了一个新领域,”布鲁克海文国家实验室高级能源材料组组长李强说。“这将有助于未来高速低能耗的量子计算策略和电子学的发展。”

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。

这项研究在论文中进一步讨论,“光驱动拉曼相干作为一种非热路径到超快拓扑切换的Dirac半金属”,由C. Vaswani, L.-L。Wang, D.H. Mudiyanselage, Li, p.m. Lozano, G. Gu, D. Cheng, B. Song, L. Luo, R. H. J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, I.E. Perakis, Y. Yao, K. M. Ho, J. Wang;并发表在《物理评论X》上。

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