Эмуляция невозможных «униполярных» лазерных импульсов прокладывает путь для обработки квантовой информации

Лазерный , который обходит внутреннюю симметрию световых волн, может манипулировать квантовой ией, потенциально приближая нас к квантовым вычислениям при комнатной температуре.


Исследование, проведенное исследователями из Регенсбургского и Мичиганского университетов, также может ускорить обычные вычисления.

Квантовые вычисления могут ускорить решение проблем, требующих одновременного изучения многих переменных, включая поиск лекарств, прогнозирование погоды и шифрование для кибербезопасности. Обычные компьютерные биты кодируют либо 1, либо 0, но квантовые биты или кубиты могут кодировать и то, и другое одновременно. По сути, это позволяет квантовым компьютерам работать с несколькими сценариями одновременно, а не исследовать их один за другим. Однако эти смешанные состояния длятся недолго, поэтому обработка информации должна быть быстрее, чем могут обеспечить электронные схемы.

В то время как ные импульсы могут использоваться для манипулирования энергетическими состояниями кубитов, возможны различные способы вычислений, если носители заряда, используемые для кодирования квантовой информации, можно перемещать, в том числе при комнатной температуре. Терагерцовый свет, который находится между инфракрасным и микроволновым излучением, колеблется достаточно быстро, чтобы обеспечить скорость, но форма волны также является проблемой. А именно, электромагнитные волны обязаны производить как положительные, так и отрицательные колебания, сумма которых равна нулю.

Положительный цикл может перемещать носители заряда, такие как электроны. Но затем отрицательный цикл возвращает заряды туда, где они были изначально. Для надежного управления квантовой информацией необходима асимметричная световая волна.

«Оптимальной была бы полностью направленная, однополярная «волна», поэтому был бы только центральный пик, без колебаний. Это было бы мечтой. Но реальность такова, что распространяющиеся световые поля должны колебаться, поэтому мы пытаемся сделать так, чтобы колебания настолько малы, насколько мы можем», — сказал Маккилло Кира, профессор электротехники и информатики Университета Массачусетса и руководитель теоретических аспектов исследования в Light: Science & Applications.

Поскольку волны, которые являются только положительными или только отрицательными, физически невозможны, международная команда придумала способ сделать следующий лучший способ. Они создали фактически униполярную волну с очень острым положительным пиком высокой амплитуды, окруженным двумя длинными отрицательными пиками низкой амплитуды. Это делает положительный пик достаточно сильным, чтобы перемещать носители заряда, в то время как отрицательный пик слишком мал, чтобы иметь большой эффект.

Они сделали это, тщательно спроектировав нанолисты полупроводника из арсенида галлия, чтобы спроектировать терагерцовое излучение за счет движения электронов и дырок, которые, по сути, представляют собой пространства, остающиеся позади, когда электроны движутся в полупроводниках. Нанолисты толщиной примерно в одну тысячную волоса были изготовлены в лаборатории Доминика Бужера, профессора физики Регенсбургского университета в Германии.

Затем группа Руперта Хубера, также профессора физики в Университете Регенсбурга, уложила полупроводниковые нанолисты перед лазером. Когда импульс ближнего инфракрасного диапазона ударял по нанолисту, он генерировал электроны. Из-за конструкции нанолистов электроны приветствовали отделение от дырок, поэтому они устремились вперед. Затем притяжение дырок оттягивало электроны обратно. Когда электроны воссоединились с дырками, они высвободили энергию, полученную от лазерного импульса, поскольку сильный положительный терагерцовый полупериод предшествовал и за ним следовал слабый, длинный отрицательный полупериод.