La electrónica se basa en el movimiento de electrones cargados negativamente. Los físicos se esfuerzan por comprender las fuerzas que empujan a estas partículas en movimiento, con el objetivo de aprovechar su poder en nuevas tecnologías. Computadoras cuánticas, por ejemplo, Emplee una flota de electrones controlados con precisión para realizar tareas computacionales de goliat. Recientemente, Los investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) demostraron cómo las microondas intervienen en los movimientos de los electrones. Los hallazgos pueden contribuir a la futura tecnología de computación cuántica.

Las operaciones lógicas de las computadoras normales se basan en ceros y unos, y este código binario limita el volumen y el tipo de información que las máquinas pueden procesar. Las partículas subatómicas pueden existir en más de dos estados discretos, de modo que las computadoras cuánticas aprovechan los electrones para procesar datos complejos y realizar funciones a la velocidad de un latigazo cervical. Para mantener los electrones en el limbo para experimentos, los científicos capturan las partículas y las exponen a fuerzas que alteran su comportamiento.

En el nuevo estudio, publicado el 18 de diciembre de 2018 en Revisión física B , Los investigadores de la OIST atraparon electrones en un frígido cámara sellada al vacío y sometidos a microondas. Las partículas y la luz alteraron el movimiento del otro e intercambiaron energía, lo que sugiere que el sistema sellado podría potencialmente usarse para almacenar información cuántica, un microchip del futuro.

"Este es un pequeño paso hacia un proyecto que requiere mucha más investigación:la creación de nuevos estados de electrones con el propósito de la computación cuántica y el almacenamiento de información cuántica". "dijo Jiabao Chen, primer autor del artículo y estudiante de posgrado en la Unidad de Dinámica Cuántica de la OIST, dirigido por el Prof. Denis Konstantinov.

Envío de electrones girando

Luz, compuesto de rápido, Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes pueden empujar la materia cargada que encuentra en el medio ambiente. Si la luz vibra a la misma frecuencia que los electrones que encuentra, la luz y las partículas pueden intercambiar energía e información. Cuando eso ocurre, el movimiento de la luz y los electrones está "acoplado". Si el intercambio de energía ocurre más rápidamente que otras interacciones luz-materia en el medio ambiente, el movimiento está "fuertemente acoplado". Aquí, los científicos se propusieron lograr un estado fuertemente acoplado utilizando microondas.

"Lograr un acoplamiento fuerte es un paso importante hacia el control mecánico cuántico de las partículas que utilizan la luz, ", dijo Chen." Esto puede ser importante si queremos generar algún estado de la materia no clásico ".

Para observar un fuerte acoplamiento claramente, ayuda a aislar los electrones del ruido engañoso en su entorno, que surge cuando los electrones chocan con la materia cercana o interactúan con el calor. Los científicos han estudiado el impacto de las microondas en los electrones en las interfaces de semiconductores en las que un semiconductor se encuentra con un aislante. confinando así el movimiento de los electrones a un plano. Pero los semiconductores contienen impurezas que impiden el movimiento natural de los electrones.

Ningún material está completamente desprovisto de defectos, por lo que la Unidad de Dinámica Cuántica opta por una solución alternativa:aislar sus electrones en cámaras frías selladas al vacío equipadas con dos espejos de metal que reflejan las microondas.

Las cámaras, pequeños recipientes cilíndricos llamados células, cada uno contiene un charco de helio líquido mantenido a una temperatura cercana al cero absoluto. El helio permanece líquido a esta temperatura extrema, pero las impurezas que flotan dentro de la sustancia se congelan y se adhieren a los lados de la celda. Los electrones se unen a la superficie del helio, formando efectivamente una hoja bidimensional. Luego, los investigadores pueden exponer los electrones en espera a la radiación electromagnética, como microondas, capturando la luz entre los dos espejos dentro de la celda.

Este sistema relativamente simple reveló la influencia de las microondas en la rotación de los electrones, un efecto que había sido invisible en los semiconductores.

"En nuestra configuración, podemos determinar el curso de los fenómenos físicos con mayor claridad, "dijo el Dr. Oleksiy Zadorozhko, autor del artículo y becario postdoctoral en la Unidad de Dinámica Cuántica. "Descubrimos que las microondas tenían una influencia significativa en el movimiento de los electrones".

Encendido de la computación cuántica

Los físicos describieron matemáticamente sus hallazgos y encontraron que las fluctuaciones en la velocidad, La ubicación o la carga general de los electrones individuales tuvo poca influencia sobre los fuertes efectos de acoplamiento. En lugar de, el movimiento medio de partículas y microondas, en masa, pareció desencadenar un intercambio de energía e información entre ellos.

Los investigadores esperan que en el futuro, el sistema de helio líquido les otorgará un control preciso sobre los electrones, lo que les permite leer, escribir y procesar información cuántica de forma similar a como almacenamos datos estándar en un disco duro. Con una mejor comprensión de este sistema, La Unidad de Dinámica Cuántica tiene como objetivo mejorar el estándar de la industria para qubits:bits de información cuántica. Sus esfuerzos pueden conducir al desarrollo de tecnologías cuánticas más potentes.