光诱导开关机制的发现促进了光控量子计算

时间：2022-04-10 14:25:07 来源：

研究拓扑材料的科学家面临一个挑战-如何以一种使诸如量子计算之类的应用成为可能的方式，建立和保持对这些独特量子行为的控制。在该实验中，埃姆斯实验室的科学家王继刚及其同事证明了通过使用光来控制狄拉克半金属中的量子态来进行控制。

艾姆斯实验室，布鲁克海文国家实验室和阿拉巴马州伯明翰大学的科学家发现了狄拉克半金属中的光致开关机制。该机制建立了一种控制原子和电子来回运动的拓扑材料的新方法，这将使拓扑晶体管和使用光波的量子计算成为可能。

就像半个多世纪前的今天的晶体管和光电二极管取代真空管一样，科学家们也在寻求设计原理和新型材料的类似飞跃，以实现量子计算能力。当前的计算能力在复杂性，功耗和速度方面面临着巨大的挑战。为了超越随着电子和芯片变得越来越热和更快而达到的物理极限，需要更大的进步。特别是在小规模情况下，此类问题已成为提高性能的主要障碍。

“光波拓扑工程试图通过驱动量子周期运动来克服所有这些挑战，从而通过新的自由度（即拓扑结构）引导电子和原子，并以前所未有的太赫兹频率（定义为每秒1万亿个周期）加热而不会引起跃迁，时钟速率”，艾姆斯实验室资深科学家，爱荷华州立大学物理学教授王继刚说。“这种新的相干控制原理与迄今为止使用的任何平衡调整方法（例如电场，磁场和应变场）形成了鲜明的对比，它们的速度要慢得多，能量损耗也要大得多。”

诸如量子计算之类的新计算原理的大规模采用，要求构建能够保护脆弱的量子态免受其嘈杂环境影响的设备。一种方法是通过发展拓扑量子计算，其中量子位基于对噪声免疫的“对称保护”准粒子。

但是，研究这些拓扑材料的科学家面临一个挑战-如何以一种使诸如量子计算之类的应用成为可能的方式，建立和保持对这些独特量子行为的控制。在这项实验中，Wang和他的同事们证明了通过控制光来控制狄拉克半金属中的量子态的方法，狄拉克半金属是一种奇特的材料，由于其接近广泛的拓扑相而具有极高的灵敏度。

“我们通过采用一种称为模式选择拉曼声子相干振荡的新光量子控制原理来实现这一目标，即利用短光脉冲驱动原子围绕平衡位置的周期性运动，”物理学教授兼主席Ilias Perakis说。阿拉巴马大学伯明翰分校。“这些驱动的量子涨落引起具有不同间隙和拓扑顺序的电子状态之间的转换。”

这种动态切换的一个类比就是周期性驱动的Kapitza摆，当施加高频振动时，它可以过渡到一个倒置但稳定的位置。研究人员的工作表明，这种经典的控制原理-将材料驱动到通常无法找到的新的稳定状态-令人惊讶地适用于广泛的拓扑相和量子相变。

布鲁克海文国家实验室先进能源材料小组的负责人李强说：“我们的工作为光波拓扑电子学和受量子相干控制的相变开辟了一个新领域。”“这将有助于开发未来的量子计算策略和高速，低能耗的电子产品。”

光谱和数据分析在Ames实验室进行。模型的建立和分析是在伯明翰的阿拉巴马大学进行的。在布鲁克海文国家实验室进行了样品开发和磁迁移测量。密度函数计算得到了Ames实验室的DOE能源前沿研究中心拓扑半金属发展中心的支持。

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参考：C. Vaswani，L.-L.“光驱动拉曼相干性是狄拉克半金属中超快拓扑转换的非热途径”。王德华Mudiyanselage，Q. Li，P.M. Lozano，G.Gu，D.Cheng，B.Song，L.Luo，R.H.J.Kim Kim，C.Huang，Liu.L.，M.Mootz，I.E.Perakis，Y.Yao，K.M.Ho和J.Wang，2020年4月17日，实物评论X.DOI：
10.1103 / PhysRevX.10.021013

艾姆斯实验室（Ames Laboratory）是由爱荷华州立大学（Eowa State University）运营的美国能源部科学办公室国家实验室。艾姆斯实验室创造创新的材料，技术和能源解决方案。我们利用我们的专业知识，独特的能力和跨学科的合作来解决全球性问题。

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