量子技術新進展：用光移動電子！

導讀

近期，日本沖繩科學技術大學院大學展示了微波是如何影響電子運動的，這項研究有望幫助改善量子計算。

背景

運動著的微小粒子組成了我們物質世界中的所有物體，其中包括現代電子器件（其功能依賴於帶負電荷的電子運動）。物理學家們力求理解讓這些粒子產生運動的各種力量，目標是在新技術中利用它們的力量。例如，量子計算機就是採用一組被精準控制的電子來承擔龐大的計算任務。

經典的計算機運行在比特位（0或1）的基礎之上，這種二進位代碼限制了機器可處理的信息容量與種類。亞原子的粒子不只是處於這兩種離散狀態，還可以處於疊加態（既是0又是1）。對於這種疊加態最好的解釋是量子理論的一個思想實驗：薛定諤的貓。只有在揭開蓋子的一瞬間，我們通過「觀測」才能確切地知道貓是死是活。

（圖片來源：維基百科）

不同於經典的比特位，量子位可以處於這種奇妙的疊加態。因此，在量子位基礎上構建出來的量子計算機，具備了經典計算機所無法相比的強大運算處理能力。量子計算機可以利用電子，以極快的速度處理複雜的數據並執行各種功能。然而，為了讓電子處於這種「不確定」的疊加態，科學家們需要捕獲粒子並施加力量改變其行為。

(圖片來源：麻省理工學院）

創新

近期，日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）展示了一種形式的光線，稱為「微波」，是如何影響電子運動的。這項研究有望幫助改善量子計算。

(圖片來源：OIST）

在一篇於2018年12月18日發表在《物理評論B》期刊上的新論文中，OIST 的研究人員們將電子囚禁於極冷的、真空密封的腔體中，並使之接收微波輻射。這些粒子與光線改變了彼此的運動並交換了能量，這表明這種密封的系統有望用於存儲量子信息（未來的晶元）。

Denis Konstantinov 教授所領導的 OIST 量子動力學單元的研究生、論文第一作者 Jiabao Chen 表示：「這是朝著需要更多研究的項目邁出的一小步，……為量子計算和量子信息存儲創造出電子的新狀態。」

下圖所示：量子動力學單元將二維電子層囚禁於液氦中，並置於一個密封的腔體內，冷卻至接近絕對零度。在腔體內部，頂部的金屬板和球面鏡反射微波光線(紅色光束)，從而形成微波腔(諧振腔)。被捕獲的微波與漂浮在液氦上的電子相互作用。

(圖片來源：OIST）

技術

光，由高速振蕩的電磁場組成，可以驅動它在環境中遇到的帶電物質。如果光線振動的頻率與其遇到的電子一樣，光線與粒子就可以交換能量與信息。當這種現象產生時，光線與電子的運動就是「耦合」的。如果能量交換產生得比環境中其他的光與物質相互作用更快，那麼運動就是「強耦合」的。這裡，科學家們打算用微波實現一種強耦合狀態。

Chen 表示：「實現強耦合是朝著採用光線對粒子進行量子力學控制邁出的重要一步。如果我們想要生成一些非經典的物質狀態，那麼這一步就可能是很重要的。」

將電子與它們所在環境中的誤導性「信號雜訊」隔離開來，有助於清晰地觀察強耦合。當電子與鄰近的物質產生碰撞或者熱相互作用時，這種「信號雜訊」就產生了。科學家們研究了微波對於半導體界面（半導體與絕緣體的交界處）中的電子的影響，從而將電子運動限制在一個平面上。

任何材料都不是完全沒有缺陷的，所以量子動力學單位選擇了一個替代性的解決方案：電子隔離到極冷的真空密封的腔體中，並在腔體中配備了兩個金屬鏡子用於反射微波。

這些腔體，就是一些圓柱形的小容器，也稱為「小室」。每個小室都具有一個液氦池，其溫度保持在絕對零度附近。氦在這種極低的溫度下保持著液態，但是任何流動到這種物質中的雜質都會凝固，附著在小室的側面。電子與氦的表面結合，有效地形成了二維薄片。然後，研究人員們通過捕捉小室中兩面鏡子之間的光線，將等待的電子暴露於諸如微波的電磁輻射中。

下圖所示：小室（容器），即液氦之上的電子實驗開展的地方。

(圖片來源：OIST）

下圖所示：左邊的銅鏡引導並聚焦液氦上的電子中的微波光子。平面的鏡子（右邊）具有兩個同心圓電極，用於測量。

(圖片來源：OIST）

價值

這種相對簡單的系統揭示了微波對於電子旋轉產生影響，這種效應在半導體中過去一直都是不可見的。

論文作者之一、量子動力學單元的博士後訪問學者 Oleksiy Zadorozhko 表示：「在我們的裝置中，我們能夠更加清晰地判斷物理現象。我們發現，微波顯著地影響電子運動。」

物理學家們通過數學的方法描述了他們的成果，發現速度、位置或者單個電子的總電荷受到強耦合效應的影響很小。相反，粒子與微波的平均運動，似乎一同觸發了它們之間的能量與信息交換。

研究人員們希望，未來，液氦系統將使他們可以精準地控制電子，從而像我們將經典數據存儲在硬碟上那樣，讀取、寫入和處理量子信息。隨著對於這個系統的理解的加深，量子動力學單元的目標是改善量子位（量子信息的位元）的工業標準。他們的努力將導致開發出更高速、更強大的量子技術。

關鍵字

量子、光子、電子

參考資料

【1】https://www.oist.jp/news-center/news/2019/1/31/questions-quantum-computing-how-move-electrons-light

【2】Jiabao Chen, A. A. Zadorozhko, D. Konstantinov. Strong coupling of a two-dimensional electron ensemble to a single-mode cavity resonator. Physical Review B, 2018; 98 (23) DOI: 10.1103/PhysRevB.98.235418

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