Электронный пинг-понг

"Серфинг" электрона на гребне звуковой волны от одной квантовой точки к другой (Dot 1, 2; SAW – Sound Acoustic Wave).
Источник: Physorg 11 21 Sept

Всем хорош электрон – быстр, компактен, поглощает, возбуждаясь, и испускает, релаксируя, фотоны, длина волны которых исчисляется сотнями нанометров. Но все эти несомненные достоинства меркнут перед его недостатками, один из которых – слишком уж быстрое (за 10 в минус 13 секунд) возвращение в «покоящееся», или исходное, состояние. А второй – активное взаимодействие с другими электронами и веществом, в результате чего происходит крайне нежелательное нагревание электропроводов. Теоретикам было уже давно понятно, что решением этих проблем будет выделение одиночного электрона, однако сделать это было весьма непросто. Успеха добились сотрудники знаменитой Кавендишевской лаборатории в Кембридже.

Одиночные электроны довольно легко проходят по туннелю под энергетическим барьером, на чем было основано создание сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Но в тоннеле из-за вышеуказанных взаимодействий электроны довольно быстро теряют так называемую когерентность, или «единство», состояний. Утеря когерентности особенно нежелательна для электронов, переносящих квантовую информацию.

В Кембридже прежде всего начали с изоляции одиночного электрона в энергетическом «колодце», представляющем собой квантовую точку (quantum dot) из полупроводникового арсенида галлия (GaAs). Вторая точка находилась на расстоянии 4 микрона, или 4000 нанометров (нм), что представляется гигантским расстоянием для электрона (напомним, что диаметр атома водорода не превышает одного ангстрема, или 0,1 нм) (см. рис.).

Обе точки соединили каналом с энергией, превышающей энергетический барьер, непреодолимый для других электронов. Но как же было заставить электрон переместиться из одной точки в другую, то есть как было осуществить трансфер электронов без нарушения когерентности? Для этого использовали импульс в виде ударной звуковой волны продолжительностью в несколько миллиардных долей секунды.

Редактор журнала Nature, опубликовавшего статью кембриджских ученых, сравнил их хитроумное достижение с «серфингом» электронов на звуковой волне. Разместив два звукогенератора, исследователи смогли посылать электрон сначала в одном направлении, а затем в противоположном (и так до 60 раз) без потери когерентности, за что метод и получил название «электронный пинг-понг».

За указанное количество циклов электрон, как пишут ученые, прошел суммарное расстояние 0,25 миллиметра, или 250 тыс. нанометров! Это как если бы современный бизнесмен за 60 командировок налетал 250 тыс. километров или шесть раз обогнул бы Землю.

Сами сотрудники Кавендиша проводят аналогию с перистальтическими волнами мышечных сокращений, идущими по пищеводу от глотки к желудку.

Скорее всех взбудоражила в хорошем смысле этого слова возможность использовать полученную систему для реального квантового компьютера. Ведь впервые удалось не только «сохранить» когерентное состояние электрона, но и передать его на расстояние. Это означает, что на реальном чипе изолированный в процессоре электрон можно без ущерба для переносимой им информации перенести, передать в память. Расстояние, разделяющее эти два компонента чиповой схемы, надежно изолирует электрон, не позволяя ему вернуться в исходное, декогерентное состояние.

Правда, ученые честно признались, что им пока не удалось показать опытным путем, что изолированный ими электрон способен «запоминать» нужное квантовое состояние. Последнее крайне важно для переноса квантовых битов – кубитов – информации в цепи. Тем не менее свою статью они назвали «Трансфер одиночного электрона между удаленными квантовыми точками по требованию», что очень похоже на извлечение файлов из памяти компьютера соответствующим кликаньем мышки┘