Захоплююче квантове явище досі спостерігалося лише в складних експериментах із надхолодними парами лужних металів. І тепер, вперше, вони також були показані в твердому тілі – популярному напівпровіднику – з оксиду міді, з якого виготовлений мінерал куприт. Це надія на створення менших, ніж раніше, і простіших у виробництві процесорів для квантових комп’ютерів.
Дослідники з Франції експериментально підтвердили теорію, запропоновану фізиками з Бидгощського технологічного університету. Вони спостерігали в кристалі оксиду міді деякі нелінійні оптичні квантові ефекти, які досі найчастіше спостерігалися в надхолодних газах. Точніше: вони довели, що в певних твердотільних системах – завдяки наявності рідбергівських екситонів – можна спостерігати нелінійне явище Керра.
Це явище відбувається в кристалі оксиду міді. А в природі оксид міді зустрічається в мінералі куприт. Це мінерал інтенсивного червоного кольору, який добувають, наприклад, на шахтах Намібії.
Це важлива інформація для тих, хто чекає, коли квантові комп’ютери стануть більш доступними. Ефекти, описані дослідниками, можна використовувати для обробки квантової інформації. Фізики з групи фотоніки та квантової інженерії Технічного університету Бидгоща сподіваються, що вони знайдуть застосування у створенні квантових воріт (елемент, необхідний для виконання обчислень у квантових комп’ютерах).
Серед авторів роботи, яких редакція «Physical Review Letters» виділяє проф. Sylwia Zielińska-Raczyńska та д-р David Ziemkiewicz, а також проф. Ґерард Чайковський та доктор Кароль Карпінський.
Світ на квантовому рівні надзвичайно божевільний, але квантові ефекти зазвичай дуже крихкі – вони тривають неймовірно коротко, спостерігаються в крихітному просторі та, крім того, дуже чутливі до впливу навколишнього середовища.
Одним із популярних способів вивчення квантових явищ є дуже складні дослідницькі системи, які займають цілі лабораторії. Вони вимагають надзвичайно розбавлених газів (а для їх отримання необхідний вакуумний насос) і, як правило, низьких температур у кілька К. У разі експериментів з окремими атомами вони повинні бути захоплені в магнітооптичні пастки.
Важко уявити, що такі вимогливі системи будуть встановлені в квантових комп’ютерах, які, як ми спокійно розраховуємо, одного дня опиняться в наших домівках. Шанс для розробки та розповсюдження пристроїв, які використовують хитрощі світу наночастинок, полягає в тому, щоб показати, що ті самі квантові ефекти, відомі в газах, також відбуваються в твердих тілах, наприклад, у невеликих і простих у виготовленні системах. Доктор Давид Зємкевич в інтерв’ю порталу Science in Poland зазначає, що так було, наприклад, із лазером: мініатюризація – і спрощення структури – гарантували масовізацію цього пристрою в безпрецедентних масштабах.
Тому результати, описані в “Physical Review Letters”, є таким важливим відкриттям. Це показує, що ступінь заломлення світла, що проходить через тверде тіло – кристал оксиду міді – може змінюватися нелінійним чином. Таке явище раніше спостерігали квантові оптики в розріджених атомних парах.
«Нелінійні ефекти в оптиці полягають у тому, що коли світло проходить крізь середовище, воно змінює середовище, а воно, у свою чергу, змінює світло», – говорить проф. Сильвія Зелінська-Рачинська.
Таке нелінійне явище, відоме як ефект Керра, можливе в цьому випадку завдяки збудженню оксиду міді всередині кристала, т.зв. Рідбергівські екситони. Це структури квантової природи – т. зв квазічастинки.
Під дією лазерного випромінювання в кристалі Cu2O відбувається збудження електрона з валентної зони в зону провідності. Разом із отвором, що залишився, він утворює щось на зразок величезного атома водню. Зазвичай, як і в атомі водню, такий електрон знаходиться на першій, найнижчій орбіті. Інакше йде справа з екзитонами Рідберга – там число орбіт може бути порядку 30.
Таке незвичайне творіння є і гігантом, і Мафусаїлом у світі квантів. проф. Sylwia Zielińska-Raczyńska пояснює, що розмір екситонів, які спостерігаються в експерименті, сягає до 5 мікрометрів, тобто товщини ниток у павутині, а час життя цієї високозбудженої квазічастинки обчислюється в мікросекундах, що дуже довго – навіть порівняно з операціями, які виконуються на звичайних комп’ютерах. Таким чином, екситон Рідберга є квантовим об’єктом, яким можна маніпулювати відносно ефективно – наприклад, змусити виконувати обчислення.
Експеримент показав, що під впливом відповідного потоку фотонів у кристалі виникають взаємодіючі екситони, які змінюють показник заломлення світла, що проходить через кристал. Тому матеріал виробляє світло, яке несе інформацію про те, що відбувається між екситонами.
Отже, можна розглянути, як спроектувати логічні вентилі, які виконують операції над фотонами, з екситонами як посередниками, що забезпечують взаємодію між фотонами.
проф. Зелінська-Рачинська пояснює, що порівняно з експериментами в розбавлених газах така дослідницька система проста: крихітний кристал оксиду міді («наші французькі колеги купили його на eBay») потрібно охолодити до 40-100 Кельвінів («досить буде рідкого азоту). ») і підсвітити його лазером («і не вищого класу»). І це, звісно, у довгостроковій перспективі шанс для дешевших, менших і простіших у створенні квантових комп’ютерів.
Фізики зазначають, що квантові явища, які відбуваються в цьому експерименті, вже досить добре вивчені – адже раніше їх вивчали в цих незручних, але надточних системах – в надхолодних газах, які взаємодіють зі світлом.
Тож зараз постає питання проектування обчислювальних систем на основі купріту. Отже, розробка квантового процесора, в якому квантові біти, або кубіти, будуть екситонами Рідберга. На думку дослідника з Бидгощського технологічного університету, перехід від фундаментальних досліджень до прикладних – справа кількох років.
“Я сподіваюся, що оксид міді стане для квантових комп’ютерів тим, чим був кремній для традиційних комп’ютерів”, – резюмує д-р Девід Зємкевич.
PAP – Наука в Польщі, Людвіка Томала
lt / ekr /
