Создано устройство, способное точно измерять квантовые свойства микрообъектов

Процесс испускания одиночных фотонов. Иллюстрация Physorg

Сегодня никого не удивляет сверхминиатюризация, позволяющая манипулировать отдельными атомами и даже фотонами.

Журнал Nature Electronics представил статью ученых из Института науки и технологии в китайском Шеньчжене. В ней представлены результаты работы по созданию проводников с низким уровнем потерь, сравнимых с потерями в оптоволокне. Проводники обеспечили связь четырех сверхпроводящих квантовых процессоров (кубитов) в единый модуль с точностью до 92%, а при соединении 12 кубитов этот показатель составил почти 56%, что все равно выше требуемой 50-процентной точности.

Свет как поток фотонов давно используется в самых разных видах коммуникации, начиная от костров с морским семафором и кончая интернетом с его оптоволоконной связью. Со временем физики уловили преимущество использования когерентных фотонов, имеющих сходные характеристики. На этом принципе основана работа лазеров. Еще большие преимущества сулит использование одиночных фотонов. Размеры квантов света сулят возможность манипулирования ими на сверхмалых расстояниях. Как следствие – уплотнение рабочих элементов на поверхности чипов.

Немецкие ученые из Института кристаллографии и ионно-лучевой физики предложили способ размещения миллионов фотонных кубитов на стандартном чипе. О плотности размеров световых квантовых битов информации говорит тот факт, что расстояние между ними не превышает 50 нанометров (нм). Естественно, что такого рода «производство» кремниевых чипов с источниками одиночных фотонов осуществляется в сверхчистых помещениях и с помощью электронно-лучевой литографии.

Фотоны генерируются при квантовых скачках электронов, предсказанных датским физиком-теоретиком Нильсом Бором. Он постулировал, что разного рода возбуждения – свет, тепло и т.д. – переводят электрон в атоме на более высокий энергетический уровень, где он долго не задерживается и возвращается на исходный энергетический уровень. Этот процесс сопровождается испусканием фотона. Поэтому вот уже почти век физики активно изучают электроны, предлагая все более изощренные способы и инструменты.

Один из них – сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Принцип действия его – в измерении туннельного тока, который возникает при сближении тонкого острия с поверхностью образца (чем ближе, тем сильнее ток). Второй же прибор – микроскоп атомной силы (AFM – Atomic Force Microscope).

В барселонском Институте науки и фотоники объединили эти два инструмента. Изюминка нового устройства – платиновая пирамидка на чувствительном «рычажке» AFM. Она покрыта слоями графита и шестиугольного (hexagonal) нитрида бора (hBN). Этот материал похож формой своих ячеек на графен. «Рычажок» располагался над поворотным кругом (angular rotator), вращение которого регулируется. Эта «спайка» микроскопов позволяла точно измерять количество движения и перенос заряда (вольтаж).

Новое устройство, позволяющее измерять квантовые свойства микрообъектов с невиданной до сих пор точностью, назвали квантовым «твистующим» микроскопом (QTM – Quantum Twisting Microscope). Его преимуществом является также не только наблюдение, но и возможность измерять энергию электронов в многослойной структуре в зависимости от движения. Для этого электроны двигаются в дополнительном слое диселенида вольфрама (WSe2).

Для большего понимания принципа работы QTM ученые создали даже небольшой видеоролик, в котором герой перепрыгивает с одной машины на другую. Закон сохранения энергии и количества движения требует равенства скоростей двух авто (или лошадей, как это часто показывается в вестернах), движущихся к тому же в одном направлении. Если же подобного совпадения нет, то герой-каскадер или не сможет проделать трюк, или разобьется…