روشی ساده برای کنترل اسپین الکترون‌ها در نقاط کوانتومی

پژوهشگران موسسه نیلز بور با همکاری چند تیم تحقیقات بین‌المللی موفق به کنترل بیت‌های کوانتومی شدند، با این کار مسیر تولید ادوات مخابراتی کوانتومی هموارتر می‌شود. نتایج این پژوهش در نشریه Physical Review Letters به چاپ رسیده است.

در کامپیوترهای معمولی، اطلاعات به صورت صفر و یک ذخیره می‌شود. در کامپیوترهای کوانتومی حالت‌های صفر و یک به صورتی ایجاد می‌شوند که اجازه انجام محاسبات موازی متعددی را فراهم می‌کند. با این ویژگی کامپیوترها می‌توانند بسیار سریع‌تر کار کنند. مشکل استفاده از این سیستم‌ها آن است که شما نمی‌توانید حالت‌های کوانتومی را اندازه‌گیری کنید، آنها به سرعت ناپدید می‌شوند. چارلز مارکوس از محققان این پروژه می‌گوید ما روشی ارائه کردیم که با استفاده از آن می‌توان روی الکترون‌ها کنترل داشت به طوری که حالت‌های کوانتومی بدون اندازه‌گیری قابل کنترل می‌شوند. این کار با استفاده از رزونانس انجام می‌شود پدیده‌ای که در علم فیزیک بسیار شناخته شده است.

مارکوس می‌گوید ما فیزیک حالت جامد کلاسیک در مقیاس نانو را با روش‌های رزونانس فیزیک اتمی ترکیب کردیم. در یک ترکیب نیمه‌هادی نظیر GaAs الکترون آزاد وجود دارد که درون ساختار ماده حرکت می‌کند. اطلاعات در اسپین الکترون‌های این ماده ذخیره می‌شود، این اسپین‌ می‌تواند به سمت بالا یا پایین باشد. بنابراین الکترون و اسپین آن باید کنترل شوند. ما الکترون را درون یک جعبه به دام انداختیم، هر جعبه از یک نقطه کوانتومی، که یک اتم مصنوعی است، تشکیل شده است. نقاط کوانتومی درون نیمه‌هادی محاط شده و تنها یک الکترون را می‌تواند به دام اندازد. لازم است که سه نقطه کوانتومی در کنار هم باشند. زمانی که ما بین جعبه‌ها ارتباط برقرار می‌کنیم، الکترون‌ها می‌توانند حضور یکدیگر را احساس کنند. سه اسپین یکدیگر را مدیریت می‌کنند زیرا وجود الکترون‌هایی با اسپین یکسان در یک فضای کوچک نیازمند صرف انرژی مازاد است. بنابراین اسپین به اثر متقابل روی هم، به جهت‌گیری می‌رسند که کمترین انرژی برای پایداری نیاز باشد. این سه جعبه حاوی سه نقطه کوانتومی در کنار هم تشکیل یک بیت کوانتومی می‌دهند.

با اعمال جریان الکتریکی به درون این جعبه‌ها، سیستم به حالت نوسان دینامیک در می‌آید. محققان از این روش برای تغییر اسپین الکترون‌ها استفاده می‌کنند.