Исследование, проведенное исследователями из Университета Регенсбурга и Мичиганского университета, также может ускорить обычные вычисления.

Квантовые вычисления обладают потенциалом для ускорения решения проблем, требующих одновременного изучения множества переменных, включая обнаружение лекарств, прогнозирование погоды и шифрование в целях кибербезопасности. Обычные компьютерные биты кодируют либо 1, либо 0, но квантовые биты, или кубиты, могут кодировать и то, и другое одновременно. Это, по сути, 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 манипулирования энергетическими состояниями кубитов, возможны различные способы вычислений, если носители заряда, используемые для кодирования квантовой информации, могут перемещаться - в том числе при комнатной температуре. Терагерцовый свет, который находится между инфракрасным и микроволновым излучением, колеблется достаточно быстро, чтобы обеспечить нужную скорость, но форма волны также является проблемой. А именно, электромагнитные волны обязаны производить колебания, которые являются как положительными, так и отрицательными, которые в сумме равны нулю.

Положительный цикл может перемещать носители заряда, такие как электроны. Но затем отрицательный цикл возвращает заряды туда, откуда они начались. Чтобы надежно управлять квантовой информацией, необходима асимметричная световая волна.

"Оптимальной была бы полностью направленная, однополярная "волна", так что был бы только центральный пик, никаких колебаний. Это было бы мечтой. Но реальность такова, что распространяющиеся световые поля должны колебаться, поэтому мы стараемся сделать колебания как можно меньше", - сказала Макилло Кира, профессор электротехники и компьютерных наук в Калифорнийском университете и руководитель теоретических аспектов исследования в журнале Light: Science & Applications.

Поскольку волны, которые являются только положительными или только отрицательными, физически невозможны, международная команда придумала способ сделать следующую лучшую вещь. Они создали эффективно однополярную волну с очень резким высокоамплитудным положительным пиком, обрамленным двумя длинными низкоамплитудными отрицательными пиками. Это делает положительный пик достаточно сильным для перемещения носителей заряда, в то время как отрицательные пики слишком малы, чтобы иметь большой эффект.

Они сделали это, тщательно сконструировав нанолистки полупроводника из арсенида галлия, чтобы спроектировать терагерцевое излучение за счет движения электронов и дырок, которые, по сути, являются пространствами, оставляемыми при движении электронов в полупроводниках. Нанолистовки, каждая толщиной примерно в тысячную долю волоса, были изготовлены в лаборатории Доминика Бугара, профессора физики в Университете Регенсбурга в Германии.

Затем группа Руперта Хубера, также профессора физики в Университете Регенсбурга, сложила полупроводниковые нанопластинки перед лазером. Когда импульс ближнего инфракрасного диапазона попадал на нанолист, он генерировал электроны. Из-за конструкции нанослоев электроны приветствовали отделение от дырок, поэтому они устремились вперед. Затем притяжение дырок притянуло электроны обратно. Когда электроны присоединялись к дыркам, они высвобождали энергию, полученную от лазерного импульса, в виде сильного положительного терагерцового полупериода, которому предшествовал и за которым следовал слабый, длинный отрицательный полупериод.

"Результирующее терагерцевое излучение потрясающе однополярно, причем один положительный полупериод достигает максимума примерно в четыре раза выше, чем два отрицательных", - сказал Хубер. "Мы уже много лет работаем над световыми импульсами со все меньшим и меньшим количеством циклов колебаний. Возможность генерировать терагерцовые импульсы, настолько короткие, что они фактически составляют менее одного полупериода колебаний, была за пределами наших смелых мечтаний".

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

"Теперь, когда мы знаем ключевой фактор униполярных импульсов, мы, возможно, сможем формировать терагерцовые импульсы, чтобы они были еще более асимметричными и адаптированными для управления полупроводниковыми кубитами", - сказал Цяннан Вэнь, аспирант кафедры прикладной физики в U-M и один из первых авторов исследования, вместе с с Кристианом Майнеке и Майклом Прагером, докторантами физики Регенсбургского университета.

Сотрудники Университета Юстуса Либиха в Гиссене и Университета Гельмута Шмидта в Германии внесли свой вклад в эксперимент и характеристику нанолистов.

Это исследование было поддержано Немецким исследовательским фондом (DFG), Фондом В.М. Кека и Национальным научным фондом.