Молекулярные инженеры записывают квантовое состояние электрона

Команда исследователей во главе с Университетом Чикаго разработала методику для записи квантово-механического поведения отдельного электрона, содержавшегося в пределах наноразмерного дефекта в алмазе. Данный метод использует сверхбыстрые импульсы лазерного света для контроля всего квантового состояния дефекта и наблюдения, как эти одиночные изменения электронного состояния меняются в течение долгого времени. Работа появилась на этой неделе в онлайн-журнале «Science Express» и позже в этом месяце будет опубликована в «Science».

Это исследование содействует появляющейся науке квантовой обработки информации, которая требует, чтобы наука оставила позади однозначную систему традиционной бинарной логики — 0 или 1, и охватила парадоксальный квантовый мир, где поведение радикально отличается от того, что люди испытывают каждый день. В то время как люди могут быть в одном месте за один раз, электроны могут быть во многих состояниях сразу.

Команда исследует квантово-механическое свойство электрона, известное как спин. Многие обычные компьютеры используют зарядовое состояние электронов, составляющих бит информации, квантовый компьютер будет использовать спиновое состояние одного электрона, как его квантовый бит, или кубит. Эта работа может ускорить развитие квантово-вычислительных устройств.

Изученная система вращения известна как центр вакансии азота (NV), дефект размера атома, который происходит естественно в алмазе, состоящем из атома азота рядом со свободным местом в кристаллической решетке. «Эти дефекты вызвали большой интерес в последнее десятилетие, обеспечивая систему испытательного стенда для разработки полупроводниковых квантовых битов, а также наноразмерных датчиков, — сказал руководитель группы Дэвид Ошалом, профессор молекулярной инженерии в Университете Чикаго. — Здесь мы использовали свет, чтобы полностью контролировать квантовое состояние этого дефекта на чрезвычайно высоких скоростях».

Квантовые снимки

В этой новой технике исследователи определяют местонахождение единственного центра NV и затем освещают его парой чрезвычайно коротких импульсов лазерного света. Каждый импульс длится меньше чем пикосекунда (или одна миллионная доли секунды). Первый импульс возбуждает квантовые состояния направляющего дефекта электрона, которые затем изменяются или развиваются характерными способами. Второй импульс останавливается, захватив картину квантового состояния.

Постепенно увеличивая затраченное время между двумя импульсами, команда создает последовательность снимков квантового состояния — видеофильм о том, как квантовое состояние изменяется во времени. Затраченное время может быть всего фемтосекундами (одна миллиардная доли секунды) или целыми наносекундами. В нашем понимании этот диапазон времени можно расценить как разницу между часом и веком.

Наличие этого обширного диапазона шкалы времени делает технику особенно ценной. Электрон восприимчив и взаимодействует со своим сложным окружением многими различными способами, каждый — с характерной шкалой времени. Способность проверить широкий диапазон этой шкалы времени дает намного более полную картину динамики центра NV, чем было получено ранее.

«Наша цель в том, чтобы расширить границы квантового управления в этих замечательных системах дефектов, — пояснил Ли Бассетт, соведущий автор, а ныне доцент электрического и системного проектирования в Университете Пенсильвании. — Но техника также обеспечивает новый инструмент измерения. Используя импульсы света, направляя квантовую динамику дефекта на суперкоротких временных промежутках, мы можем извлечь огромное количество информации о дефекте и его окружении».

«Эта вполне универсальная техника дает полное представление о возбужденном состоянии квантового дефекта, — сказал Ф. Джозеф Херемэнс, ученый из Университета Чикаго, другой соавтор. — Предыдущая работа над центром вакансии азота намекнула на некоторые из этих процессов, но здесь, просто путем применения этих сверхбыстрых импульсов, мы получаем намного более богатое понимание этого квантового зверя».

Регулирование вращения

Однако это не просто вопрос наблюдения. «Эта техника также обеспечивает средства контроля спинового состояния — важного предшественника любой квантовой информационной системы», — сказал Эвелин Ху, преподаватель прикладной физики и электротехники в Гарвардском университете, который не связан с новой работой.

Кроме того, метод не ограничивается исследованием этого особого дефекта. Он может быть применен к квантовым состояниям материи в целом ряде материалов и технологий, включая многие материалы полупроводников. «Вы только должны быть в состоянии использовать свет для передачи электрона между стандартным состоянием и возбужденным», — сказал Ошалом.

Профессор Гидо Буркард, физик-теоретик в Университете Констанца и соавтор исследования, заметил: «Эта техника предлагает путь к пониманию и управлению новыми материалами на атомном уровне».

Ху соглашается, что техника открывает много новых направлений. «Каждая новая система ставит новые задачи к пониманию энергетических уровней, окружений и других свойств, но общий подход должен обеспечить огромный шаг вперед для развития в этой области», — сказал Ху.