Полупроводниковые нанолисты в медной оправе с водяным охлаждением превращают инфракрасный лазерный импульс в эффективный однополярный терагерцовый импульс. Команда говорит, что их терагерцовый излучатель может поместиться внутри спичечного коробка. Авторы и права: Кристиан Мейнеке, Huber Lab, Регенсбургский университет.

Квантовые вычисления могут ускорить решение проблем, требующих одновременного изучения многих переменных, включая поиск лекарств, прогнозирование погоды и шифрование для кибербезопасности. Обычные компьютерные биты кодируют либо 1, либо 0, но квантовые биты или кубиты могут кодировать и то, и другое одновременно. По сути, это позволяет квантовым компьютерам работать с несколькими сценариями одновременно, а не исследовать их один за другим. Однако эти смешанные состояния длятся недолго, поэтому обработка информации должна быть быстрее, чем могут обеспечить электронные схемы.

В то время как лазерные импульсы могут использоваться для управления энергетическими состояниями кубитов, возможны различные способы вычислений, если носители заряда, используемые для кодирования квантовой информации, можно перемещать, включая подход при комнатной температуре. Терагерцовый свет, который находится между инфракрасным и микроволновым излучением, колеблется достаточно быстро, чтобы обеспечить скорость, но форма волны также является проблемой. А именно, электромагнитные волны обязаны производить как положительные, так и отрицательные колебания, сумма которых равна нулю.

Положительный цикл может перемещать носители заряда, такие как электроны. Но затем отрицательный цикл возвращает заряды туда, где они были изначально. Для надежного управления квантовой информацией необходима асимметричная световая волна.

«Оптимальной была бы полностью направленная, однополярная «волна», поэтому был бы только центральный пик, никаких колебаний. Это было бы мечтой. Но реальность такова, что распространяющиеся световые поля должны колебаться, поэтому мы пытаемся сделать так, чтобы колебания настолько малы, насколько мы можем», — сказал Маккилло Кира, профессор электротехники и информатики Университета Массачусетса и руководитель теоретических аспектов исследования в Light: Science & Applications.

Поскольку волны, которые являются только положительными или только отрицательными, физически невозможны, международная команда придумала способ сделать следующий лучший способ. Они создали фактически униполярную волну с очень острым положительным пиком высокой амплитуды, окруженным двумя длинными отрицательными пиками низкой амплитуды. Это делает положительный пик достаточно сильным, чтобы перемещать носители заряда, в то время как отрицательный пик слишком мал, чтобы иметь большой эффект.

Они сделали это, тщательно спроектировав нанолисты полупроводника из арсенида галлия, чтобы спроектировать терагерцовое излучение за счет движения электронов и дырок, которые, по сути, представляют собой пространства, остающиеся позади, когда электроны движутся в полупроводниках. Нанолисты толщиной примерно в одну тысячную волоса были изготовлены в лаборатории Доминика Бужера, профессора физики Регенсбургского университета в Германии.

Затем группа Руперта Хубера, также профессора физики в Регенсбургском университете, уложила полупроводниковые нанолисты перед лазером. Когда импульс ближнего инфракрасного диапазона ударял по нанолисту, он генерировал электроны. Из-за конструкции нанолистов электроны приветствовали отделение от дырок, поэтому они устремились вперед. Затем притяжение дырок оттягивало электроны обратно. Когда электроны воссоединились с дырками, они высвободили энергию, полученную от лазерного импульса, поскольку сильный положительный терагерцовый полупериод предшествовал и за ним следовал слабый, длинный отрицательный полупериод.

«Результирующее терагерцовое излучение является поразительно униполярным, с пиком одного положительного полупериода примерно в четыре раза выше, чем у двух отрицательных», — сказал Хубер. «В течение многих лет мы работали над световыми импульсами со все меньшим и меньшим количеством циклов колебаний. Возможность генерировать терагерцовые импульсы настолько короткие, что они эффективно содержат менее одного полуцикла колебаний, была выше наших смелых мечтаний».

Затем команда намерена использовать эти импульсы для манипулирования электронами в квантовых материалах комнатной температуры, исследуя механизмы обработки квантовой информации . Импульсы также можно использовать для сверхбыстрой обработки обычной информации.

«Теперь, когда мы знаем ключевой фактор униполярных импульсов, мы можем формировать терагерцовые импульсы, чтобы они были еще более асимметричными и приспособленными для управления полупроводниковыми кубитами», — сказал доктор наук Цианнан Вен студент прикладной физики UM и соавтор исследования вместе с Кристианом Мейнеке и Майклом Прагером, доктором философии студенты факультета физики Регенсбургского университета.