Миниатюрный лазер работает на одиночных электронах

Микроволновой лазер (мазер) размером с зернышко риса, сконструированный в Принстонском университете, приводится в действие одиночными электронами, туннелируемыми через искусственные атомы — квантовые точки.

Создание этого устройства, по мнению одного из авторов, Джекоба Тейлора (Jacob Taylor), существенно продвинет вперед работу по построению систем квантовых вычислений из полупроводниковых материалов.

Основной задачей проекта было не создание мазера, а исследование возможности получения кубитов из двойных квантовых точек — двух точек, соединенных вместе. Квантовые точки обмениваются информацией через перепутанные световые частицы, и исследователи спроектировали их так, чтобы фотоны испускались в процессе перехода одиночных электронов с высокого уровня энергии на более низкий при пересечении двойной точки.

Двойные точки изготавливали из очень тонких нанопроводов (диаметром около 50 нм), сделанных из полупроводникового материала, арсенида галлия. Уровни энергии контролировались электродами затвора, подключенными по длине полупроводникового нанопровода.

Чтобы создать мазер, инженеры разместили две двойные точки на расстоянии примерно 6 мм друг от друга в полости из ниобия, охлаждаемого до перехода в сверхпроводящее состояние. «Впервые принстонская команда продемонстрировала связь между двумя двойными квантовыми точками, которые разделяла существенная дистанция, почти сантиметр», — отмечает Тейлор.

При включении этого устройства, электроны поодиночке проходили через каждую двойную квантовую точку, заставляя ту излучать фотоны в микроволновой области спектра. Фотоны отражались от зеркал на концах полости и формировали когерентный микроволновой луч.

Одно из достоинств нового мазера состоит в том, что уровни энергии точек можно регулировать, производя свет на других частотах — в других полупроводниковых лазерах частота фиксирована. Чем больше разница энергий двух уровней, тем выше частота излучения.

Помимо квантовых компьютеров, новая технология управляемого излучения света, о которой рассказывается в последнем номере журнала Science, может найти применение в медицине, сенсорах, коммуникациях и других аспектах современной жизни.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365