博科園：本文為量子物理學類

電子學依賴於帶負電荷的電子運動，物理學家們努力理解推動這些粒子運動的力量，目的是在新技術中利用它們的力量。例如，量子計算機使用一組精確控制的電子來完成巨量計算任務。最近，沖繩理工大學研究生院(OIST)的研究人員演示了微波是如何影響電子運動。這些發現可能有助於未來的量子計算技術。普通計算機的邏輯操作是基於0和1，這種二進位代碼限制了計算機可以處理的信息數量和類型。亞原子粒子可以以兩種以上的離散狀態存在，因此量子計算機利用電子來處理複雜的數據，並以極高的速度執行功能。

博科園-科學科普：為了讓電子在實驗中處於不穩定狀態，科學家們捕獲了這些粒子，並將它們暴露在改變其行為的力量之下。在這項發表在《物理評論B》(Physical Review B)上的新研究中，OIST的研究人員將電子困在一個寒冷的真空密封的房間里，並將其置於微波下。這些粒子和光改變了彼此的運動並交換了能量，這表明這個密封的系統可能被用來存儲量子信息——未來的微晶元。這是對一個項目的一小步，它需要更多的研究，為量子計算和存儲量子信息創造出電子的新狀態。

讓電子旋轉

光，由快速振蕩的電場和磁場組成，可以推動它在環境中遇到的帶電物質。如果光與電子以相同的頻率振動，光和粒子就能交換能量和信息。當這種情況發生時，光和電子的運動是「耦合的」。如果能量交換比環境中其他光物質的相互作用發生得更快，那麼這種運動就是「強耦合的」。在這裡，科學家們開始利用微波來實現強耦合狀態。實現強耦合是利用光對粒子進行量子力學控制的重要一步，如果我們想產生一些非經典的物質狀態，這可能很重要。為了清晰地觀察強耦合，它有助於將電子與環境中的誤導性雜訊隔離開來，這些雜訊是在電子與附近的物質碰撞或與熱相互作用時產生。

量子力學單元將二維電子層困在液氦中，並將其置於一個密封的腔內，冷卻至接近絕對零度。在腔室內部，頂部的金屬板和球面鏡反射微波光(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：Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST

科學家們研究了微波在半導體與絕緣體接觸的半導體界面中對電子的影響，從而將電子的運動限制在一個平面上，但是半導體中含有阻礙電子自然運動的雜質。沒有一種材料是完全沒有缺陷的，所以量子力學單元選擇了另一種解決方案——將它們的電子隔離在裝有兩個反射微波的金屬鏡子冷真空密封的房間里。這些被稱為「細胞」的圓柱形小容器中，每一個都有一個液氦池，液氦池的溫度保持在接近絕對零度。在這種極端的溫度下，氦仍然是液體，但是任何漂浮在物質內部的雜質都會結冰並附著在「細胞」的兩側。

電子與氦的表面結合，有效地形成了一個二維的薄片。然後，研究人員可以通過捕捉電池內兩面鏡子之間的光線，將等待的電子暴露在電磁輻射下，比如微波。這個相對簡單的系統揭示了微波對電子旋轉的影響，這種影響在半導體中是看不見的。論文作者、量子力學部門博士後學者奧列克西扎多洛日科(Oleksiy Zadorozhko)博士說：在我們的裝置中，可以更清楚地確定物理現象的過程，發現微波對電子的運動有顯著的影響。

啟動量子計算

物理學家用數學方法描述了他們的發現，發現速度、位置或單個電子的總電荷的波動對強耦合效應影響很小。相反，粒子和微波的平均運動，總體上，似乎觸發了它們之間的能量和信息交換。研究人員希望，在未來，液氦系統將使他們能夠精確地控制電子，從而使他們能夠像我們在硬碟上存儲標準數據那樣讀寫和處理量子信息。隨著對這個系統理解的加深，量子動力學單元的目標是改進量子位元的工業標準——量子信息的位元。研究努力可能會促使更快、更強大的量子技術的發展！

博科園-科學科普｜研究/來自: 沖繩科學技術研究所

參考期刊文獻:《物理評論快報》,《物理評論B》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.046802

DOI: 10.1103/PhysRevB.98.235418

博科園-傳遞宇宙科學之美

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