Kontrollerbar Cooper-parsplitter kan skille sammenfiltrede elektroner ved behov – Physics World

Kontrollerbar Cooper-parsplitter kan skille sammenfiltrede elektroner ved behov – Physics World

Tidsstempel: 14. mars 2024 9:00


Skjematisk som viser delte Cooper-par, representert av blå kuler med piler som indikerer spinn i motsatt retning, matet inn i en (kvante) datamaskin
Qubit-materiale: En figur som skjematisk viser hvordan splittede Cooper-par kan mates inn i en kvantedatamaskin som opererer med sammenfiltrede elektroner. (Med tillatelse: Fredrik Brange)

Sammenfiltrede partikler – det vil si de med kvantetilstander som forblir korrelerte uavhengig av avstanden mellom dem – er viktige for mange kvanteteknologier. Enheter som kalles Cooper-par-splittere kan i prinsippet generere slike sammenfiltrede partikler ved å separere elektronene som pares i superledende materialer, men prosessen ble ansett som for tilfeldig og ukontrollerbar til å være til praktisk nytte.

Fysikere kl Aalto University i Finland har nå fremmet et teoretisk forslag som indikerer at disse elektronparene faktisk kan deles ved behov ved å påføre tidsavhengige spenninger til kvanteprikker plassert på hver side av en superledende stripe. Teknikken, som bevarer den sammenfiltrede tilstanden til de separerte elektronene, kan hjelpe utviklingen av kvantedatamaskiner som bruker sammenfiltrede elektroner som kvantebiter (qubits).

Når et konvensjonelt superledende materiale avkjøles til svært lave temperaturer, overvinner elektronene i det deres gjensidige frastøting og parer seg sammen. Disse såkalte Cooper-parene forplanter seg gjennom materialet uten motstand. De sammenkoblede elektronene er naturlig sammenfiltret, med spinn som peker i motsatte retninger. Å trekke ut og separere disse elektronparene mens de bevarer sammenfiltringen deres vil være nyttig for en rekke applikasjoner, inkludert kvanteberegning, men å gjøre dette er ingen enkel oppgave.

I det siste arbeidet, som er detaljert i Fysisk gjennomgang B, fysikere ledet av teoretiker Christian Flindt foreslå en ny måte å betjene en Cooper parsplitter på. Designet deres består av en superledende stripe som inneholder to elektroder og er koblet til to kvanteprikker (biter av halvledende materiale i nanostørrelse) på hver side av stripen. Når en spenning påføres elektrodene, trekkes Cooper-parrede elektroner inne i superlederen til tuppen av den superledende stripen og blir separert, med hver kvantepunkt som rommer ett atskilt elektron om gangen. Disse separerte elektronene kan deretter føres videre gjennom en nanotråd.

Tidsavhengige spenninger

Nøkkelen til teamets oppsett er at spenningen som påføres elektroden på den ene siden av stripen varierer i tid, slik at nøyaktig to Cooper-par deles og kastes ut under hver periodisk oscillasjon. "I eksperimenter så langt ble de påførte spenningene holdt konstant," forklarer Flindt. "I vårt forslag viser vi hvordan delingen av Cooper-par kan kontrolleres med tidsavhengige spenninger påført enheten."

Basert på deres beregninger anslår Flindt og kolleger at deres Cooper-parsplitter kan skille sammenfiltrede elektroner med en frekvens i gigahertz-området. De fleste moderne datamaskiner opererer med klokkesykluser i dette området, og for mange kvanteteknologier er det viktig å ha en tilsvarende rask kilde til sammenfiltrede partikler. Faktisk, å kombinere flere splittere sammen kan bidra til å danne grunnlaget for en kvantedatamaskin som opererer ved å bruke sammenfiltrede elektroner, sier teamet.

Eksperimentalister invitert til å "hente stafettpinnen"

Aalto-fysikerne bestemte seg for å gjennomføre studien sin fordi de innså at det var behov for å kontrollere splittingen av Cooper-par. Deres største utfordring var å finne ut hvordan de kunne variere spenningene i tid slik at Cooper-parene ble delt etter behov. Når de ser frem, mener de at det burde være mulig å realisere forslaget deres eksperimentelt og håper at eksperimentelle vil «ta opp stafettpinnen».

"Det ville også vært interessant å undersøke hvordan vår on-demand Cooper parsplitter kan integreres i en større kvanteelektronisk krets for å utvikle kvanteinformasjonsbehandling," forteller Flindt Fysikkens verden.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden