Kvanttipisteet voivat "puhua" keskenään

Kuvan kaksi kvanttipistettä "kommunikoivat" keskenään valon kautta.

Uudet atomimittakaavan tietokonesimulaatiot siitä, kuinka kvanttipisteet “puhuvat” keskenään, voivat johtaa moniin käytännön sovelluksiin kvanttilaskennasta vihreään energiaan.

Ryhmä Helmholtz Zemtrum Berlinin (HZB) tieteilijöitä on teoreettisesti selvittänyt, kuinka kahden kvanttipisteen väliseen kommunikaatioon voidaan vaikuttaa valolla.

Tohtori Annika Banden johtama tiimi osoittaa myös tapoja hallita informaation tai energian siirtoa kvanttipisteestä toiseen.

Kvanttipisteet toteutetaan nanometrien kokoisilla puolijohdekiteillä. Niiden optisia ja sähköisiä ominaisuuksia voidaan hallita kiteiden koon kautta.

Annika Banden johtama "Theory of Electron Dynamics and Spectroscopy" -ryhmä on erityisen kiinnostunut fysikaalisten kvantti-ilmiöiden alkuperästä. Vaikka kvanttipisteet ovat erittäin pieniä ne koostuvat tuhansista atomeista ja niiden elektroneista. Jopa supertietokoneiden avulla tällaisen puolijohdekiteen elektronirakennetta tuskin voidaan laskea, korostaa teoreettinen kemisti. "Mutta kehitämme menetelmiä, jotka kuvaavat ongelmaa suunnilleen", Bande selittää. "Tässä tapauksessa olemme työskennelleet pienennettyjen kvanttipisteversioiden kanssa, joissa on vain noin sata atomia, jotka kuitenkin sisältävät todellisten nanokiteiden ominaispiirteet."

Tällä lähestymistavalla onnistuttiin simuloimaan kahden kvanttipisteen vuorovaikutusta, joista kumpikin koostui sadoista atomeista, jotka vaihtavat energiaa keskenään. Erityisesti olemme tutkineet, kuinka nämä kaksi kvanttipistettä voivat absorboida, vaihtaa ja tallentaa pysyvästi valon ohjaaman energian. Ensimmäistä valopulssia käytetään viritykseen, kun taas toinen valopulssi indusoi varastoinnin.

Tutkimme kaikkiaan kolmea erilaista kvanttipisteparia koon ja geometrian vaikutuksen kaappaamiseksi. Laskimme elektronisen rakenteen erittäin tarkasti ja simuloimme elektronista liikettä reaaliajassa femtosekunnin tarkkuudella.

Tulokset ovat myös erittäin hyödyllisiä kokeellisessa tutkimuksessa ja kehittämisessä monilla sovellusalueilla, esimerkiksi kubittien kehittämiseksi tai fotokatalyysin tukemiseksi, vihreän vetykaasun tuottamiseksi auringonvalossa.

Tutkijat TU Delftistä, RWTH Aachenin yliopistosta ja Forschungszentrum Jülichistä ovat puolestaan tehneet kokeen, jossa kahdesta kytketystä atomista koostuva kvanttijärjestelmä käyttäytyy yllättävän vakaasti elektronipommituksissa. Koe antaa viitteitä siitä, että erityiset kvanttitilat saattaisivat toteutua kvanttitietokoneessa helpommin kuin aiemmin ajateltiin.

Tiettyä menetelmää käyttäen he onnistuivat ensimmäistä kertaa reaaliajassa tarkkailemaan, kuinka kaksi kytkettyä atomia vaihtavat vapaasti kvantti-informaatiota vaihtaessaan edestakaisin eri tilojen välillä flip-flop -vuorovaikutuksessa.

Löydöllä voi olla kauaskantoisia seurauksia kvanttitietokoneiden kehitykselle, joiden toiminta perustuu kvanttitilojen lomittumiseen ja superpositioon. Jos seurataan havaintoja, voit päästä eroon olemasta hieman vähemmän varovainen kvanttitilojen suhteen kuin aiemmin ajateltiin.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttirajoja hätistellen

Kvanttipistetransistoreista joustava vaihtoehto elektroniikalle