Технология, описанная в Nature Communications, предлагает возможную альтернативную стратегию создания квантовых компьютеров, которые намного быстрее и мощнее современных суперкомпьютеров.«Что делает электронные устройства возможными, так это управление перемещением электронов с места на место с помощью сильных, быстрых и локальных электрических полей», — сказал руководитель исследования профессор физики Джесси Березовский. «Это сложно с магнитными полями, но они то, что вам нужно, чтобы контролировать вращение».
Другие исследователи искали материалы, в которых электрические поля могут имитировать эффекты магнитного поля, но найти материалы, в которых этот эффект достаточно силен и все еще работает при комнатной температуре, оказалось затруднительным.«Наше решение, — сказал Березовский, — это использование магнитного вихря».Березовский работал с докторантами физики Майклом С. Вольфом и Робертом Бадеа.
Исследователи изготовили магнитные микродиски, у которых нет северного и южного полюсов, как у стержневого магнита, но которые намагничиваются в виде вихря. Магнитное поле исходит от ядра вихря. В центральной точке поле особенно сильное и поднимается перпендикулярно диску.
Вихри связаны с наночастицами алмаза. В решетке алмаза внутри каждой наночастицы несколько отдельных спинов захвачены внутри дефектов, называемых вакансиями азота.
Ученые используют импульс лазера для запуска вращения. Применяя микроволны и слабое магнитное поле, команда Березовского может перемещать вихрь за наносекунды, сдвигая центральную точку, что может вызвать изменение спина электрона.В так называемом квантовом когерентном состоянии спин может действовать как квантовый бит или кубит — основная единица информации в квантовом компьютере.
В современных компьютерах биты информации находятся в одном из двух состояний: нулевом или одном. Но в состоянии суперпозиции вращение может быть вверх и вниз одновременно, то есть ноль и единица одновременно. Эта возможность позволит выполнять более сложные и быстрые вычисления.«Спины близки друг к другу; вы хотите, чтобы спины взаимодействовали со своими соседями в квантовых вычислениях», — сказал Березовский. «Сила приходит из запутанности».
Градиент магнитного поля, создаваемый вихрем, оказался достаточным, чтобы управлять спинами на расстоянии всего нанометра.Исследователи говорят, что помимо вычислений, электроны, контролируемые в когерентных квантовых состояниях, могут быть полезны для датчиков с чрезвычайно высоким разрешением. Например, в МРТ их можно было бы использовать для обнаружения магнитных полей гораздо более детально, чем с помощью современных технологий, возможно, для различения атомов.
Управление электронными спинами без разрушения когерентных квантовых состояний оказалось трудным с другими методами, но серия экспериментов группы показала, что квантовые состояния остаются твердыми. Фактически, «кажется, что вихрь усиливает применяемое нами микроволновое поле», — сказал Березовский.Ученые продолжают сокращать время, необходимое для изменения вращения, что является ключом к высокоскоростным вычислениям.
Они также исследуют взаимодействия между вихрем, микроволновым магнитным полем и спином электрона, а также то, как они развиваются вместе.