29.10.2013 | Наука

Левитоны превратят проводники в носители квантовой информации

Физики из Исследовательского центра при Комиссариате атомной энергетики во Франции (CEA) научились выделять единичные заряженные частицы из "моря" электронов в наноразмерной электрической схеме.

Таким образом, исследователи получили возможность создавать электронные волны, образованные отдельными частицами.

Этот эксперимент стал первым подтверждением теории, описанной ещё в середине 1990-х годов. Такие электроны можно превратить в носители квантовой информации подобно тому, как фотоны переносят информацию в квантовых оптических схемах.

Эксперимент проводила команда специалистов в области квантовой физики под руководством Кристиана Глаттли (Christian Glattli). За основу своего исследования учёные взяли работу русского физика-теоретика Леонида Левитова из Массачусетского технологического института, который описал такие электронные волны ещё в 1996 году.

Тогда Левитов и его коллеги подсчитали, что приложение меняющегося со временем напряжения к наносхеме должно расшевелить электроны в проводах, благодаря чему возникнет сложное квантовое состояние. В результате образуются группы возбуждённых электронов, соседствующие с "дырами" — зонами, где отсутствующие электроны оставляют положительно заряженные области в атомной решётке провода.

Команда Левитова также показала, что если импульс напряжения варьируется со временем в соответствии с математическим распределением Коши, то из всего "моря" электронов возбудится всего один.

В рамках своего эксперимента Глаттли и его коллеги создали наносхему, состоящую из двух электродов, соединённых узкой проводящей областью. Все элементы цепи охладили практически до абсолютного нуля (35 милликельвинов), чтобы удержать электроны в состоянии, близком к состоянию покоя.

Каждый импульс напряжения, сообщённый одному из электродов, приводил к возбуждению одного электрона, который проходил через проводник к другому электроду. Эти возбуждения напомнили физикам уединённые волны солитоны. Наблюдая за ними, учёные заметили, что они иногда движутся по каналу, сохраняя при этом свою форму. По этой причине, Глаттли и его коллеги назвали созданные ими единичные электронные волны левитонами ("солитонами Левитова").

По словам авторов исследования, схемы для создания левитонов легко масштабировать для построения больших или меньших систем. Все же остальные источники одноэлектронных возбуждений требуют изготовления сложных наноструктур.

Конечно же, больше всего левитоны пригодятся физикам, занимающимся фундаментальными исследованиями. Но помимо этого они могут выступить однажды в роли носителей квантовой информации в квантовых компьютерах.

Учёные, не принимавшие участия в данном исследовании, также предложили испытывать на левитонах фотонику: все эксперименты, которые проводятся на единичном или паре фотонов в квантовой оптике (создание квантовой запутанности, телепортации или криптографии), можно проверять на левитонах.

Подробное описание эксперимента − в статье Глаттли и его коллег, опубликованной в журнале Nature.

ВестиRu