Исследователи создали устройство, которое использует примерно одну миллиардную часть электрического тока, необходимого для питания фена, одновременно исследуя, как использовать квантовые точки, представляющие собой кусочки полупроводникового материала, которые действуют как отдельные атомы, в качестве компонентов квантовых компьютеров.«По сути, он настолько мал, насколько это возможно с этими одноэлектронными устройствами», — сказал Джейсон Петта, доцент физики в Принстоне, который руководил исследованием, которое было опубликовано в журнале Science.По словам соавтора и соавтора Джейкоба Тейлора, адъюнкт-профессора Объединенного квантового института Университета Мэриленда и Национального института стандартов и технологий, устройство демонстрирует большой шаг вперед в усилиях по созданию систем квантовых вычислений из полупроводниковых материалов. . «Я считаю, что это действительно важный результат для нашей долгосрочной цели, заключающейся в запутывании квантовых битов в полупроводниковых устройствах», — сказал Тейлор.Первоначальной целью проекта было не создание мазера, а изучение того, как использовать двойные квантовые точки — две квантовые точки, соединенные вместе — в качестве квантовых битов или кубитов, основных единиц информации в квантовых компьютерах.
«Цель состояла в том, чтобы заставить двойные квантовые точки общаться друг с другом», — сказал Инью Лю, аспирант-физик в лаборатории Петты. В команду также входили аспирант Иржи Стехлик и младший научный сотрудник Кристофера Эйхлера из Физического факультета Принстона, а также постдокторант Майкл Гулланс из Объединенного квантового института.Поскольку квантовые точки могут взаимодействовать посредством запутывания легких частиц или фотонов, исследователи разработали точки, которые испускают фотоны, когда одиночные электроны перескакивают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, чтобы пересечь двойную точку.Каждая двойная квантовая точка может переносить только один электрон за раз, объяснил Петта. «Это похоже на ряд людей, пересекающих широкий ручей, прыгнув на столь маленький камень, что он может удержать только одного человека», — сказал он. «Они вынуждены пересекать поток по одной.
Эти двойные квантовые точки нульмерны в том, что касается электронов — они захвачены во всех трех пространственных измерениях».Исследователи изготовили двойные квантовые точки из чрезвычайно тонких нанопроволок (около 50 нанометров, или миллиардная часть метра в диаметре), изготовленных из полупроводникового материала, называемого арсенидом индия. Они наложили узор из проволок из арсенида индия на другие, даже меньшие по размеру металлические проволоки, которые действуют как электроды затвора, которые контролируют уровни энергии в точках.
Чтобы построить мазер, они поместили две двойные точки на расстоянии примерно 6 миллиметров друг от друга в полость из сверхпроводящего материала, ниобия, для которого требуется температура, близкая к абсолютному нулю, около минус 459 градусов по Фаренгейту. «Это первый раз, когда команда из Принстона продемонстрировала, что существует связь между двумя двойными квантовыми точками, разделенными почти на сантиметр, на значительном расстоянии», — сказал Тейлор.Когда устройство было включено, электроны проходили одиночным потоком через каждую двойную квантовую точку, заставляя их излучать фотоны в микроволновой области спектра. Затем эти фотоны отражались от зеркал на каждом конце резонатора и превращались в когерентный пучок микроволнового света.
Одним из преимуществ нового мазера является то, что уровни энергии внутри точек могут быть точно настроены для получения света на других частотах, что невозможно сделать с другими полупроводниковыми лазерами, в которых частота фиксируется во время производства, сказал Петта. Чем больше разница в энергии между двумя уровнями, тем выше частота излучаемого света.Клэр Гмахл, которая не принимала участия в исследовании и является профессором электротехники Юджина Хиггинса из Принстона и пионером в области полупроводниковых лазеров, сказала, что, поскольку лазеры, мазеры и другие формы когерентных источников света используются в связи, зондировании, медицине и многие другие аспекты современной жизни, исследование является важным.
«В этой статье исследователи углубляются в фундаментальное взаимодействие между светом и движущимся электроном», — сказал Гмахл. «Двойная квантовая точка позволяет им полностью контролировать движение даже одного электрона, а взамен они показывают, как создается и усиливается когерентное микроволновое поле. Умение управлять этими фундаментальными процессами взаимодействия света и материи поможет в будущем развитии источники света ".
Статья «Полупроводниковый микромазер с двумя квантовыми точками» была опубликована в журнале Science 16 января 2015 г. Исследование было поддержано Фондом Дэвида и Люсиль Паккард, Национальным научным фондом (DMR-1409556 и DMR-1420541). Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов QuEST (HR0011-09-1-0007) и Управление армейских исследований (W911NF-08-1-0189).