Все ближе к квантовому пределу

Квантовая цепь с делителем луча (BS – Beam Splitter), PC – фотоконвертором (конверсия в РС0), PBS – делителем поляризованного луча и PDC – фотоконвертором с подпитывающим источником. Иллюстрация Physorg

Электронный гигант, компания IBM, некогда начинавшая с арифмометров для бизнеса, не слишком громогласно объявила о создании первого коммерческого квантового компьютера QExperience. Пока – для разного рода организаций, то есть не персонального. Негромкость объявления связана с тем, что ни о каком научном прорыве речь не идет, поскольку использована дорогая технология квантовых колодцев, созданная 20 лет назад. Тем не менее в Чикагском университете с помощью QE удалось верифицировать так называемый запрет Паули, согласно которому в одной ячейке электронной оболочки не могут находиться два однонаправленных электрона (Nature Communications).

Физики испытывают разные подходы, начиная от фотоники и кончая спинтроникой. Первая использует различные свойства фотонов, потоки которых давно раздваиваются с помощью делителей луча (англ. – BS, Beam Splitters). Их прототип еще в 1809 году предложил глазной врач Томас Юнг, открывший интерференцию, или взаимодействие световых частиц, в результате чего они взаимно гасили или усиливали друг друга. Это свойство было положено затем в основу квантовой механики, постулирующей наложение (суперпозицию) свойств квантовых объектов. Этот эффект разрешает не один, а множество переходов от 0 к 1.

Два вектора электронного спина. Иллюстрация Physorg

Свет, как известно, генерируется при возбуждении электронов, переходящих на более высокий энергетический уровень и затем очень быстро возвращающихся на исходный. При этом испускается фотон. Отличительной особенностью электрона является наличие у него спина, или магнитного вращения (to spin – вращаться). Спин ядерного магнита используется в магниторезонансных томографах (МРТ), позволяющих рассмотреть живые органы и ткани. Можно добавить, что электрон имеет два вектора – поступательного движения и вращательного вокруг своей оси.

Указанные свойства разных физических объектов решили использовать в новом чипе исследователи университета в г. Рочестер (США). С этой целью они сконструировали миниатюрную квантовую цепь, объединив в ней фотонику и спинтронику (Science Advances). В качестве волновода, соединяющего делитель луча и электрооптический поляризатор, было избрано соединение лития с ниобатом – LiNbOз. Материал использовали, поскольку он хорошо зарекомендовал себя в волноводе с добавлением титана (Ti: LiNbOз).

Известно, что для создания квантовой логики очень важна временная синхронизация состояний, поэтому авторы работы внесли в свою схему еще и возможность задержки. Размеры электрооптического и фотон-поляризационного конверторов, а также делителя луча измеряются миллиметрами (от 4 до 20,7). При этом электрооптическая задержка осуществляется с помощью двойного преломления светового луча (BED – Birefrigent Electro-optic Delay). Статья ученых называется «Нелинейно-интегрированные квантовые электрооптические цепи». Вполне возможно, что вскоре весь мир заговорит о ее авторах…

Проблема с производством чипов – в его сложности и высокой стоимости. Поэтому понятен интерес к сообщению из Университета штата Коннектикут, опубликованному в журнале «Труды АН США» (PNAS). Там использовали микроскоп атомной силы AFM (Atomic Force Microscope), представляющий собой рычажок с острым выступом на конце. Приближение острия к поверхности исследуемого материала способствует «ощущению» электрического и магнитного полей атома, на чем и основан принцип действия AFM.

Генерация плазмонов (три овала) под действием падающего света. Иллюстрация Physorg

Выяснилось, что ферроэлектрический слой представляет собой совокупность доменов, или кластеров маленьких батареек, положительные полюса которых направлены в одну сторону. Авторы статьи в PNAS надеются, что их случайное открытие позволит инженерам упорядочить расположение слоев в чипах. Это, в свою очередь, позволит сделать чипы быстрее и менее прожорливыми в потреблении энергии. (Считается, что сегодня 5% производимой энергии потребляется компьютерами.)

Некогда философы Эллады обратили внимание: натирание янтаря полой шерстяной хламиды ведет к прилипанию к нему ворсинок и легких перышек. Греки называли янтарь «электром», поэтому накопление статического заряда в Европе назвали электричеством. После известных открытий и рождения электродинамики о статическом электричестве как-то подзабыли, с чем не согласны в Университете г. Баффало (США). Его специалисты считают, что статика вполне может заряжать всю носимую нами электронику.

Для этого необходимо просто свести вместе два предложенных материала. Речь идет о всем известной магнезии (MgO) и титанате бария (BaTiOз), соединение которых реализует трибоэлектрический эффект (эффект трения). Благодаря ему ученые создали электрические наногенераторы, контролирующие и собирающие статическое электричество.

Авторы статьи в специализированном издании J. Electrostatics полагают, что полученные ими результаты повысят электрическую безопасность и помогут обществу сократить нужду в обычных источниках энергии.