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向不可能的 “单极 ”激光脉冲看齐为处理量子信息铺平道路
发布时间:2022-06-23 21:34:30 阅读:147

来源:密歇根大学(University of Michigan);电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 张美玥 编译

水冷铜支架中的半导体纳米片将红外激光脉冲变成有效的单极太赫兹脉冲。该研究小组表示,他们的太赫兹发射器可以被装在火柴盒里。资料来源:Christian Meineke,雷根斯堡大学Huber实验室

    避开光波固有对称性的激光脉冲可以操纵量子信息,使我们更有可能接近室温量子计算。

    这项由雷根斯堡大学(University of Regensburg)和密歇根大学(University of Michigan)的研究人员领导的研究也可以加速传统的计算。

    量子计算有潜力加速解决那些需要同时探索许多变量的问题,包括药物发现、天气预测和网络安全加密。传统的计算机比特编码为1或0,但量子比特可以同时编码为两者。这实质上使量子计算机能够同时处理多种情况,而不是一个接一个地探索它们。然而,这些混合状态不会持续很久,所以它信息处理的速度肯定比电子电路的速度快。

    虽然激光脉冲可以用来操纵量子比特的能量状态,但如果用来编码量子信息的载流子可以四处移动的话--包括室温方法,则有可能采用不同的计算方式。太赫兹光,位于红外和微波辐射之间,因其振荡足够快,可以提供所需速度,但波的形状也是一个问题。也就是说,电磁波必须产生正负两面的振荡,其总和为零。

    正周期可以移动载流子,如电子。但随后,负周期将电子拉回了它们最初所在的位置。为了可靠地控制量子信息,需要一种不对称的光波。

    “最理想的是一个完全定向的、单极的‘波’,这样它就只有中心峰,没有震荡。这将是一个梦想。但现实是,传播的光场必须振荡,所以我们试图使振荡尽可能小,”密歇根大学电气工程和计算机科学教授、杂志《光:科学与应用》理论研究方面的领导者Mackillo Kira说。

    由于只有正值或只有负值的波在物理上是不可能实现的,该国际团队想出了一个办法来做退而求其次的事情。他们创造了一个有效的单极波,它有一个非常尖锐的、高振幅的正峰,侧边是两个长的、低振幅的负峰。这使得正峰足够有力移动载流子,而负峰太小,无法产生太大的影响。

    他们通过精心设计砷化镓半导体的纳米片来设计通过电子和空穴运动的太赫兹辐射,空穴本质上是电子在半导体中移动时留下的空间。这些纳米片的厚度约为头发的千分之一,是在德国雷根斯堡大学的物理学教授Dominique Bougeard的实验室里制作的。

    然后,雷根斯堡大学物理学教授Rupert Huber的研究小组将半导体纳米片堆放在激光器前。当近红外脉冲击中纳米片时,它产生了电子。由于纳米片的设计,电子易与空穴分离,因此它们向前喷射。然后,来自空穴的拉力将电子吸引回来。当电子与空穴重新结合时,它们将从激光脉冲中获得的能量释放出来,形成一个强大的正太赫兹半周期,伴随一个弱的、长的负半周期。

    “由此产生的太赫兹辐射是惊人的单极性的,单个正半周期的峰值比两个负半周期的峰值高约4倍。”Huber说,“我们多年来一直致力于研究振荡周期越来越少的光脉冲。产生如此短、实际上包含不到单个半振荡周期的太赫兹脉冲的可能性是我们从未大胆设想过的。”

    接下来,该团队打算使用这些脉冲来操纵室温量子材料中的电子,探索量子信息处理的机制。 这些脉冲也可用于传统信息的超快处理。

    “现在我们知道了单极脉冲的关键因素,我们也许能够将太赫兹脉冲塑造得更加不对称,并为控制半导体量子比特量身定做。”密歇根大学应用物理学博士生Qiannan Wen说。他与雷根斯堡大学物理学博士生Christian Meineke和Michael Prager成为这项研究的共同第一作者。

 
 

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