Решетки из электронов научились создавать с помощью звука
Международный коллектив ученых предложил использовать поверхностные акустические волны в качестве инструмента создания устойчивых решеток из электронов и поляритонов в полупроводниках. Оказалось, что изменяя частоту акустических колебаний, можно управлять параметрами такой решетки и приводить заряженные частицы в движение. Такие решетки могут использоваться для моделирования сложных квантовых систем. Результаты исследования опубликованы в Physical Review X.
В полупроводниковых и проводящих материалах носители заряда или заряженные квазичастицы (например, экситоны) при ограничении их подвижности могут образовывать упорядоченные периодические структуры. Такие электронные решетки внутри твердого кристалла и сами по себе имеют довольно интересные свойства, а также могут использоваться для исследования топологических дефектов и моделирования как классических, так и квантовых систем. Для того, чтобы зафиксировать положение электронов и создать из них упорядоченную решетку, обычно уменьшают размерность кристалла и используют не трехмерные кристаллы, а тонкие слои. Подобными ловушками для электронов или квазичастиц могут быть и кристаллы еще меньшей размерности: нанонити или даже квантовые точки, в которых подвижность носителей заряда ограничена по двум или всем трем координатам.
В своей новой работе международный коллектив физиков предложил использовать для стабилизации решеток из электронов или экситонов поверхностные акустические волны. Для этого тонкий слой полупроводникового кристалла из арсенида галлия приводили в контакт с пьезоэлектрическим элементом. Внешним электрическим полем в пьезоэлектрике возбуждались периодические колебания решетки, что приводило к запуску поверхностной звуковой волны по межфазной границе.
Если таким образом по межфазной границе запустить две поверхностных волны в противоположных направлениях, то можно создать стоячую волну, которая будет приводит к образованию периодической решетки из электронов или экситонов в полупроводниковом кристалле. В предыдущих работах уже было показано, что при определенных условиях таким образом можно фиксировать положение электронов и квазичастицы на несколько наносекунд, после чего они покидают ловушку и начинают распространяться по кристаллу.
Оказалось, что если увеличить длину звуковой волны выше определенного значения, то это приводит к образованию устойчивых во времени конфигураций. В данной работе физикам удалось получить электронную решетку с периодом около 100 нанометров. При этом период образовавшейся стационарной решетки можно было немного изменять, варьируя частоту стоячей поверхностной звуковой волны. А при определенных значениях электроны могут начать двигаться или разрушать периодическую структуру. Ученые отмечают, что в образовавшихся решетках возможно образование дефектов и областей неупорядоченности, источником которых в полупроводниках являются неоднородности заряда, например, на легирующих атомах.
По словам авторов работы, такие стационарные решетки из электронов и поляритонов, устойчивые в течение долгого времени, могут быть как источником информации о взаимодействиях электронов внутри твердого тела, а также использоваться для моделирования достаточно сложных квантовых систем.
Звуковые волны в кристалле можно использовать не только для стабилизации электронных решеток внутри кристалла, но и, например, в качестве своеобразного буфера в фотонном компьютере. Для этого ученые предложили механизм, при котором информация, передаваемая в виде фотонов, может преобразовываться в звуковые колебания решетки кристалла, а затем — обратно в фотон.
Александр Дубов
Для этого их разнесли более чем на 30 метров
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Все вместе это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки. Исследование опубликовано в Nature. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой механики. Вместе с Подольским и Розеном он в 1935 году написал статью с описанием парадокса — мысленного эксперимента с двумя разнесенными частицами, квантовая связь между которыми якобы нарушала принцип причинности. В 1964 году Джон Белл предложил математический способ, как с помощью неравенств доказать, на самом ли деле квантовая механика управляется вероятностными законами, или в ее основе лежат некие, еще не понятые физиками скрытые параметры. Экспериментальная проверка неравенств Белла началась лишь спустя десятилетия, подтвердив ошибочность теории скрытых параметров. Подробнее об этой истории мы писали в материале «Бог играет в эти игры», посвященному Нобелевской премии по физике 2022 года. Проверка неравенств Белла — это не единомоментный процесс. Каждая следующая экспериментальная реализация оставляла небольшие лазейки, которыми можно было бы объяснить опыт, не отказываясь от локальной теории скрытых переменных. Но с 2015 года физикам наконец-то удалось закрыть их все, сначала с помощью дефектов в алмазе, затем фотонов и плененных атомов. Теперь же очередь дошла и до проверок без лазеек на сверхпроводящих кубитах. Это случилось благодаря Зимону Шторцу (Simon Storz) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллегам из Испании, Канады, США, Франции и Швейцарии. Им удалось провести проверку для кубитов, разнесенных более, чем на 30 метров. Благодаря такому большому расстоянию и высокой скорости считывания физики показали, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на исход проверки, даже двигаясь от одного кубита к другому на световой скорости. С самых первых белловских экспериментов физики находили и закрывали множество лазеек. Например, недостатком эксперимента на фотонах долгое время было малое число запутанных пар. Из-за этого всегда можно было утверждать, что набранная статистика отражает лишь свойства некоторого подмножества от полного множества, в котором неравенства выполняются. Однако в конечном счете гипотезу о скрытых параметрах можно отвергнуть, если гарантировать, что никакой скрытый сигнал — во всяком случае, на световой или досветовой скорости — не успеет передаться от одного измерения до другого. Для этого кубиты должны быть достаточно далеко, а время считывания должно быть достаточно коротким. Наконец, физики обязаны накопить приличную статистику измерений, прежде чем делать выводы. Решению этих технических задач для сверхпроводящей платформы была посвящена работа авторов. Такие кубиты основаны на способности тока находится в суперпозиции направлений течения в сверхпроводящем контуре. Для их запутывания необходимо передавать между кубитами микроволновые фотоны, причем канал их передачи также должен находится при сверхнизких температурах. Ученые справились со своей задачей, разместив свои криостаты в подземных помещениях. Ключом к успеху стало достижение времени считывания, равного 50 наносекундам, со степенью совпадения 98 процентов. Расчеты показали, что, достаточно будет разделить события проверки кубитов 33 метрами. В этом случае у физиков остается запас в 10 наносекунд, которого достаточно, чтобы закрыть лазейку — скрытый сигнал не успеет повлиять на результат. Чтобы минимизировать разрушение запутанности, переносимой микроволновыми фотонами по волноводу, физики упаковывали последний в 30-метровую трубу, в которой поддерживали температуру 50 милликельвин. Сами кубиты содержались при температуре в 20 милликельвин. Всего ученые провели четыре последовательных эксперимента, в каждом из которых было более миллиона тестов. В результате статистический параметр неравенства оказался равен S = 2,0747 ± 0,0033 — другими словами, неравенства Белла нарушаются со значимостью в 22 стандартных отклонения. Помимо самого факта белловской проверки без лазейки, работа авторов прокладывает технологический путь к построению распределенных квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов. Недавно мы рассказывали об аналогичных успехах для ионных кубитов — там квантовую запутанность передали на 230 метров.