惊人的突破-科学家在日常电子产品中创造量子态

时间:2020-01-05 18:09 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

惊人的突破-科学家在日常电子产品中创造量子态

芝加哥大学的研究小组发现了调整量子信号的创新方法

经过几十年的小型化,我们赖以生产计算机和现代技术的电子元件现在开始达到基本极限。面对这一挑战,世界各地的工程师和科学家正在转向一种全新的范式:量子信息技术。

量子技术利用了原子层面上支配粒子的奇怪规则,通常被认为太过脆弱,与我们每天在手机、笔记本电脑和汽车上使用的电子产品无法共存。然而,芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家们宣布了一项重大突破:用碳化硅制造的常用电子设备可以集成和控制量子态。

这项工作使我们离实现能够在全世界的光纤网络中存储和分发量子信息的系统又近了一步。本;David Awschalom,分子工程学家庭教授

在商业电子中创造和控制高性能量子比特的能力令人吃惊。首席研究员David Awschalom说,他是芝加哥大学分子工程学的Liew家族教授,也是量子技术的先驱。“这些发现改变了我们对发展量子技术的看法——也许我们可以找到一种方法,利用今天的电子技术来建造量子设备。”

在发表于《科学与科学进展》(Science and Science Advances)杂志上的两篇论文中,Awschalom的团队证明,他们可以用电来控制嵌入碳化硅中的量子态。这一突破可能提供一种更容易设计和制造量子电子的方法,而不是使用科学家通常需要用于量子实验的外来材料,如超导金属、悬浮原子或钻石。

碳化硅中的这些量子态还有一个额外的好处,那就是可以发射出波长接近电信波段的单粒子光。“这使得它们非常适合通过光纤网络进行长距离传输,而光纤网络已经传输了全世界90%的国际数据。”阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)资深科学家、芝加哥量子交易所(Chicago Quantum Exchange)主任阿瓦沙洛姆(Awschalom)说。

此外,当与现有的电子元件结合时,这些光粒子可以获得令人兴奋的新特性。例如,在《科学进展》的论文中,该团队能够创造出Awschalom所称的“量子调频收音机”;用同样的方法,音乐可以被传输到你的汽车收音机里,量子信息可以被发送到非常远的距离。

“所有的理论都表明,为了在材料中实现良好的量子控制,它应该是纯净的,没有波动的场,”研究生Kevin Miao是这篇论文的第一作者。我们的研究结果表明,通过合理的设计,一个设备不仅可以减少这些杂质,而且还可以创造出以前不可能实现的额外的控制形式。

在《科学》杂志的论文中,他们描述了解决量子技术中一个非常普遍的问题的第二个突破:噪声。

杂质在所有半导体器件中都很常见,在量子层面,这些杂质可以通过制造一个嘈杂的电子环境来扰乱量子信息。这篇论文的共同第一作者、研究生克里斯·安德森(Chris Anderson)说。“这是量子技术的一个近乎普遍的问题。”

但是,通过使用电子元件的一种基本元素——二极管,一种电子元件的单向开关,研究小组发现了另一个意想不到的结果:量子信号突然变得没有噪声,而且几乎完全稳定。

“在我们的实验中,我们需要使用激光,不幸的是,它会使周围的电子相互碰撞。这就像电子椅游戏;当灯灭了,所有的东西都停了,但形态不同。”这篇论文的另一位共同第一作者、研究生亚历山大·布拉萨(Alexandre Bourassa)说。“问题是电子的这种随机配置会影响我们的量子态。但我们发现,施加电场会将电子从系统中移除,使系统更加稳定。”

通过将量子力学的奇异物理与成熟的经典半导体技术相结合,Awschalom和他的团队正在为即将到来的量子技术革命铺平道路。

“这项工作让我们离实现能够在全球光纤网络中存储和分发量子信息的系统又近了一步。”Awschalom说。这样的量子网络将带来一种新的技术,可以用来创建不可攻破的通信通道、实现单电子态的隐形传态以及实现量子互联网。

在研究中,该团队使用了芝加哥材料研究中心和普利兹克纳米制造设备。

引用:

可伸缩半导体器件中单自旋的光电控制克里斯多夫·安德森、亚历山大·布拉萨、凯文·c·苗、加里·沃尔福伊茨、彼得·j·敏顿、亚历山大·l·克鲁克、阿部浩史、贾瓦德·哈桑、阮·森、大岛武史和大卫·d·奥沙洛姆,2019年12月6日,《科学》。

DOI: 10.1126 / science.aax9406 

电导自旋光学干涉测量在碳化硅中的应用凯文·c .苗族亚历山大?布拉沙克里斯托弗·p·安德森,塞缪尔·j·怀特利,亚历山大·l·克鲁克山姆·l·贝利斯加里?Wolfowicz Gerg& # 337;Thiering, Peter Udvarhelyi, Viktor Ivady, Hiroshi Abe, Takeshi Ohshima, Adam Gali和David D. Awschalom, 2019年11月22日,《科学进展》。

DOI: 10.1126 / sciadv.aay0527

资助:国家科学基金会、国防部、空军科研办公室、海军研究办公室、国防高级研究计划局、日本科学促进会、瑞典能源部和瑞典研究委员会、卡尔·特里格斯科学研究基金会、克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会。

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