Левитон приблизил эпоху квантовых компьютеров

Недавно группа физиков из Франции смогла подтвердить предположение американского ученого российского происхождения Леонида Левитова о возможности существования квазичастицы левитона. В серии экспериментов исследователям удалось получить этот самый левитон. Его планируют использовать как переносчик информации в твердотельных квантовых компьютерах.

Фото:

Вся эта история началась еще 17 лет назад, когда американский физик российского происхождения Леонид Левитов из Массачусетского технологического института (США), исследуя процесс прохождения переменного тока в наноцепи, сделал одно интересное предсказание. Оно заключалось в том, что прохождение такого тока по этой самой наноцепи способно создавать сложное квантовое состояние, выражающееся в возникновении множества возбужденных электронов и "дырок" (заряженных положительно областей в кристаллической решетке, которые покинул перешедший в возбужденное состояние электрон).

Далее Левитов рассуждал так: если характеристики переменного тока подобрать надлежащим образом, то возможно возникновение всего лишь одного возбужденного электрона. Для этого нужно сделать так, чтобы напряжение варьировало согласно распределению Коши (так в теории вероятности называют целый класс абсолютно непрерывных распределений, дающих только один симметричный пик). В итоге из всей массы электронов возбудится только один, и "дырок" при этом совсем никаких не будет. И этот возбужденный электрон, с точки зрения Леонида Левитова, будет вести себя как солитон — стоячая одиночная волна.

Эту квазичастицу (квазичастицей в квантовой физике называют модель, позволяющую описать движение частиц в проводниках) позже назвали левитоном — по фамилии ученого, предсказавшего ее существование. Долгое время левитоны оставались лишь неким теоретическим упражнением для физиков — создать такие квазичастицы в реальности никак не удавалось. Однако недавно левитон все-таки стал реальностью — исследователю Кристиану Глаттли из исследовательского центра Комиссариата атомной энергии в Сакле (Франция) и его коллегам удалось "поднять" единственную заряженную частицу из всей массы электронов при прохождении через наноцепь переменного тока.

Для того чтобы сделать это, ученые использовали два контакта, соединенных тонким проводящим каналом. Данная система сначала была охлаждена до 35 мК (что должно было исключить ненужные движения со стороны "подопытных" электронов), ну а потом по ней начали пускать электрические импульсы с частотой порядка нескольких десятков гигагерц. И вот ученые увидели, что буквально каждый такой импульс приводил к образованию левитона — стоячей волны из одного электрона.

Интересно, что практически одновременно левитоны удалось "создать" и другой группе французских физиков, которыми руководила профессор Жюли Дюбуа из французского Института излучения и материи. Их эксперимент был очень похож на таковой группы Глаттли — они тоже использовали наноцепь, состоящую из двух электродов, соединенных между собой узким проводящим "мостиком". Наноцепь перед началом опыта охладили. Когда на один из электродов подавали одиночный импульс, то второй сразу же регистрировал возникновение левитона. Таким образом, можно считать, что возможность существования этой квазичастицы является совершенно доказанным фактом.

Однако сразу же возникает вопрос — а как можно использовать эти самые левитоны в практических целях. И вот тут-то выясняется, что сфера их применения может быть достаточно широкой. Во-первых, в отличие от схем возбуждения электронов на основе квантовых точек (фрагментов проводника или полупроводника, носители зарядов в которых ограничены по всем трем измерениям), генерация левитонов не требует создания тонких структур методом нанолитографии и легко может быть масштабирована до более крупных систем. То есть, на основе их можно создать новые устройства, занимающиеся "выделением" отдельных электронов (таковые обычно называют "электронными пушками").

Кроме того, левитоны могут вести себя как переносчики квантовой информации в твердотельных квантовых компьютерах — интересно, что к моменту проведения эксперимента уже имелась работа Кристиана Флиндта из Женевского университета (Швейцария), в которой достаточно подробно описан метод такого применения левитонов. Ну и, наконец, все, что делается сегодня в квантовой оптике при помощи одиночного фотона или их пары — например, квантовое запутывание, квантовая телепортация и квантовая криптография - может быть сделано и при помощи левитонов. И выгода от этого очевидна — хотя бы потому, что левитон генерировать куда легче, чем одиночный фотон.

И, наконец, существует еще одна интересная идея — попробовать провести эксперимент по генерации левитонов не в наноцепи, а в газе. По мнению физиков, в данном случае возможно появление атомов-левитонов, поведение которых будет точно таким же, как и обнаруженной квазичастицы. А это, в свою очередь, положит начало эре газоразрядных ламп нового поколения…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"