Sterowany rozdzielacz par Coopera może na żądanie rozdzielać splątane elektrony – Świat Fizyki

Sterowany rozdzielacz par Coopera może na żądanie rozdzielać splątane elektrony – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 14 marca 2024 9:00


Schemat przedstawiający rozdzielone pary Coopera, reprezentowane przez niebieskie kulki ze strzałkami wskazującymi obrót w przeciwnym kierunku, wprowadzane do komputera (kwantowego)
Materiał kubitowy: rysunek schematycznie pokazujący, jak rozdzielone pary Coopera można wprowadzić do komputera kwantowego działającego ze splątanymi elektronami. (Dzięki uprzejmości: Fredrik Brange)

Cząstki splątane, czyli takie, których stany kwantowe pozostają skorelowane niezależnie od odległości między nimi, są ważne dla wielu technologii kwantowych. Urządzenia zwane rozdzielaczami par Coopera mogą w zasadzie generować takie splątane cząstki poprzez oddzielanie elektronów łączących się w pary w materiałach nadprzewodzących, ale uznano, że proces ten jest zbyt losowy i niekontrolowany, aby miał praktyczne zastosowanie.

Fizycy w Uniwersytet Aalto w Finlandii przedstawili obecnie teoretyczną propozycję wskazującą, że te pary elektronów można w rzeczywistości rozdzielić na żądanie poprzez przyłożenie zależnych od czasu napięć do kropek kwantowych umieszczonych po obu stronach paska nadprzewodzącego. Technika zachowująca stan splątania oddzielonych elektronów może pomóc w opracowaniu komputerów kwantowych wykorzystujących splątane elektrony jako bity kwantowe (kubity).

Kiedy konwencjonalny materiał nadprzewodzący schładza się do bardzo niskich temperatur, znajdujące się w nim elektrony pokonują wzajemne odpychanie i łączą się w pary. Te tak zwane pary Coopera rozprzestrzeniają się w materiale bez żadnego oporu. Sparowane elektrony są naturalnie splątane, a ich spiny są skierowane w przeciwne strony. Wyodrębnienie i rozdzielenie tych par elektronów przy jednoczesnym zachowaniu ich splątania byłoby przydatne w wielu zastosowaniach, w tym w obliczeniach kwantowych, ale nie jest to łatwe zadanie.

W najnowszej pracy, która jest szczegółowo opisana w Przegląd fizyczny B., fizycy pod przewodnictwem teoretyka Christiana Flindta zaproponować nowy sposób obsługi rozdzielacza par Coopera. Ich konstrukcja składa się z paska nadprzewodzącego zawierającego dwie elektrody i połączonego z dwiema kropkami kwantowymi (nanocząstkami materiału półprzewodnikowego) po obu stronach paska. Po przyłożeniu napięcia do elektrod elektrony w parach Coopera w nadprzewodniku są przyciągane do końcówki paska nadprzewodzącego i oddzielane, przy czym każda kropka kwantowa gromadzi na raz jeden oddzielony elektron. Te oddzielone elektrony można następnie przekazać dalej przez nanodrut.

Napięcia zależne od czasu

Kluczem do konstrukcji zespołu jest to, że napięcie przyłożone do elektrody po jednej stronie paska zmienia się w czasie w taki sposób, że dokładnie dwie pary Coopera są rozdzielane i wyrzucane podczas każdej okresowej oscylacji. „W dotychczasowych eksperymentach przyłożone napięcia utrzymywały się na stałym poziomie” – wyjaśnia Flindt. „W naszej propozycji pokazujemy, jak można kontrolować rozdzielanie par Coopera za pomocą zależnych od czasu napięć przykładanych do urządzenia”.

Na podstawie swoich obliczeń Flindt i współpracownicy szacują, że zastosowany przez nich rozdzielacz par Coopera może oddzielać splątane elektrony z częstotliwością rzędu gigaherców. Większość współczesnych komputerów pracuje z cyklami zegara mieszczącymi się w tym zakresie, a w przypadku wielu technologii kwantowych ważne jest posiadanie podobnie szybkiego źródła splątanych cząstek. Zespół twierdzi, że połączenie kilku rozdzielaczy może pomóc w stworzeniu podstawy komputera kwantowego działającego przy użyciu splątanych elektronów.

Eksperymentatorzy zaproszeni do „przejęcia pałeczki”

Fizycy z Aalto zdecydowali się podjąć badania, ponieważ zdali sobie sprawę, że istnieje potrzeba kontrolowania podziału par Coopera. Największym wyzwaniem było wymyślenie sposobu zmiany napięcia w czasie, tak aby pary Coopera zostały rozdzielone na żądanie. Patrząc w przyszłość, uważają, że powinna istnieć możliwość eksperymentalnej realizacji ich propozycji i mają nadzieję, że eksperymentatorzy „przejmą pałeczkę”.

„Interesujące byłoby również zbadanie, w jaki sposób nasz dostępny na żądanie rozdzielacz par Coopera można zintegrować z większym kwantowym obwodem elektronicznym w celu opracowania kwantowego przetwarzania informacji” – mówi Flindt Świat Fizyki.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki