Nanoskalowe urządzenie łączące światło i ruch mechaniczny może znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych
Manipulacja efektami kwantowymi w materiałach staje się coraz powszechniejsza, prowadząc do opracowania rozwiązań technologicznych o coraz lepszych parametrach i możliwościach. Niedawno odkryto, że elektrony związane z donorami w cząsteczkach krzemu charakteryzują się jednym z najdłuższych czasów koherencji kwantowej. W szczególności atomy fosforu stanowiące zanieczyszczenie krzemu są jednymi z najczęściej badanych atomów, które zachowują swoją koherencję spinową, czyli czas konieczny do zniszczenia stanu kwantowego przez otoczenie. Przeliczanie informacji o spinach na sygnały świetlne W celu zbudowania funkcjonalnego komputera kwantowego konieczne jest kontrolowanie dużej liczby kubitów oraz skuteczne odczytywanie i przekazywanie informacji o ich stanach. Niewielkie struktury optyczno-mechaniczne mogą stać się kluczowym elementem pozwalającym na popchnięcie do przodu rozwoju pola informacji kwantowych w najbliższej przyszłości. „Nanoskalowe rezonatory optyczno-mechaniczne mogą posłużyć jako doskonałe »przetworniki kwantowe« pomiędzy różnymi układami, takimi jak mikrofale i światło, lub kubity i światło, działając tym samym jako kanał informacji kwantowej pomiędzy tymi oddzielnymi układami”, zauważa dr Juha Muhonen, współzałożyciel NAMESTRANSIS, projektu odbywającego się w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”. Głównym założeniem było stworzenie krzemowego urządzenia optyczno-mechanicznego umożliwiającego sprzężenie spinu elektronu ze skwantowanym ruchem nanoskalowego rezonatora optyczno-mechanicznego, a następnie sprzężenie ruchu tego maleńkiego obiektu z fotonami optycznymi. „W celu przechowywania informacji kwantowych można wykorzystać atomy fosforu zanieczyszczające wafel krzemowy, a następnie zakodować informacje w spinach powiązanych elektronów”, wyjaśnia dr Muhonen. „Silne sprzężenie pomiędzy mechanicznym ruchem rezonatora a światłem może być wtedy odpowiedzialne za odczyt i przekazywanie informacji kwantowej”, dodaje dr Muhonen. Niezrównana wydajność Zespół projektowy zajmował się badaniami nad specjalnym rodzajem rezonatora optyczno-mechanicznego – kryształu fotonicznego z odpowiednio zaprojektowaną wnęką rezonansową – umożliwiającego konwersję małych przemieszczeń wibracyjnych na światło z niespotykaną dotąd mocą. Praca nad projektem była zatem nie tylko wyzwaniem z teoretycznego i praktycznego punktu widzenia, ale także niezwykle satysfakcjonującym projektem. „Zauważyliśmy, że nasze urządzenie optomechaniczne zachowywało się w zupełnie niespotykany dotąd sposób, który nie odpowiadał obecnie stosowanym modelom analitycznym. Silne sprzężenie optyczno-mechaniczne wynikało z faktu, że wnęka może ograniczać światło do skali o wiele mniejszych niż długość fali optycznej. System wykazał nieliniowe efekty, które znacząco wpłynęły na odpowiedź optyczną, pomiar przemieszczenia mechanicznego i ciśnienie promieniowania”, podsumował prof. Verhagen, lider zespołu zajmującego się realizacją projektu. Zespół projektowy zademonstrował nową metodę pomiaru ruchu rezonatora opartą na szybkich impulsach świetlnych. „Zastosowanie bardzo szybkich impulsów świetlnych pozwala na uniknięcie skutków działań zwrotnych i otwiera możliwość badania kwantowej natury ruchu mechanicznego poprzez tworzenie nieklasycznych stanów mechanicznych”, wyjaśnia dr Muhonen. Ponadto szybkie impulsy świetlne mogą pomóc w zwiększeniu czułości kwantowych urządzeń wykrywających lub mogą być wykorzystane do szybkiego i dokładnego odczytu spinów w przetworniku kwantowym, który zostanie opracowany w przyszłości. Optyczny odczyt i przekazywanie informacji na temat stanów spinowych w krzemie, jak również tworzenie nieklasycznych stanów mechanicznych stanowią długoterminowe cele badaczy działających na tym polu. Projekt skutecznie wykazał, w jaki sposób nowo opracowane urządzenie nanoskalowe na bazie krzemu może mierzyć drobne ruchy mechaniczne z dużą dokładnością, i zademonstrował duży potencjał do osiągnięcia obu tych celów. Oprócz informacji kwantowych zastosowania nowego odkrycia obejmują między innymi czujniki siły, czujniki gazu i akcelerometry.
Słowa kluczowe
NAMESTRANSIS, krzem, informacje kwantowe, kubity, sprzężenie, spin elektronowy, rezonator optyczno-mechaniczny, ruch nanomechaniczny, komputery kwantowe, zanieczyszczenia fosforem, detekcja kwantowa
