Pomiar pamięci atomowej z nanoprecyzją

Zdarzenia zachodzące wewnątrz atomów zachodzą z prędkościami, które zwykle są zbyt duże, aby je uchwycić. Teraz badacze w IBM 's Centrum Badawcze Almaden opracowali technikę, która pozwala im oglądać tę atomową akcję z niespotykaną dotąd rozdzielczością.

Maszyna pamięci: Badacz IBM, Sebastian Loth, obsługuje skaningowy mikroskop tunelowy, którego jego zespół używał do mierzenia, jak długo pojedynczy atom może przechowywać informacje.

Naukowcy wykorzystali tę technikę do zmiany orientacji spinu atomu, podstawowej właściwości kwantowej, a następnie do zmierzenia, jak długo atom pamiętał ten stan, zanim powrócił do swojego naturalnego stanu spinu. Jest to pierwszy krok w kierunku opracowania rodzaju pamięci komputerowej, która działa w skali atomowej, a technika ta może być również wykorzystana przez naukowców zajmujących się materiałoznawstwem do przeprowadzenia podstawowych badań niezbędnych do wytwarzania bardziej wydajnych organicznych materiałów słonecznych.

Wpływanie na stan spinu atomu i mierzenie go to jeden ze sposobów na utworzenie bitu kwantowego lub kubitu, który może jednocześnie służyć jako 1 i 0 w komputerze kwantowym. Możliwe jest wykonanie statycznego pomiaru spinu atomu, ale do tej pory nie było możliwe obserwowanie zmian spinu atomu w czasie.

Badacze kierowani przez Dona Eiglera i Andreasa Heinricha z laboratorium IBM w San Jose w Kalifornii byli w stanie z biegiem czasu obserwować obracanie się lub rozluźnianie spinów atomowych za pomocą zmodyfikowanego skaningowego mikroskopu tunelowego lub STM – instrumentu, który naukowcy IBM wynaleźli w 1981 roku. obrazy stanu atomu co pięć nanosekund — milion razy szybciej niż wcześniej.

Naukowcy z IBM odkryli, że pojedynczy atom żelaza może przechowywać informacje magnetyczne w postaci spinu przez około jedną nanosekundę. Jednak gdy atom żelaza znajduje się w pobliżu atomu miedzi, jego pamięć kwantowa jest przedłużona, tak że rozluźnienie spinu zajmuje około 200 nanosekund. Wyniki opublikowano w zeszłym tygodniu w czasopiśmie Nauka .

Informacje zanikają w ciągu 200 nanosekund, ale to dużo czasu, mówi Sebastian Loth, członek zespołu badawczego. Obecne procesory wykonują w tym czasie kilkaset cykli obliczeń.

Kiedy końcówka STM jest bardzo blisko powierzchni, prąd elektryczny może płynąć między atomami na powierzchni i jej końcówką. Przesuwając się po powierzchni, mikroskop może wygenerować jej obraz. A analizując przepływ prądu, można poznać stan magnetyczny atomu, w tym jego spin.

Aby poprawić rozdzielczość czasową STM, naukowcy zmodyfikowali końcówkę tak, aby nie tylko mierzyła prąd elektryczny, ale także go dostarczała. Doprowadzali prąd do atomu, a następnie mierzyli jego stan po określonym czasie. W każdym takim okresie wykonywali 100 000 pomiarów. Zmieniali czas między impulsami i pomiarami, powtarzając cały proces. Obrazy z każdego pomiaru zostały połączone jako klatki w filmie. Łącząc te klatki razem, naukowcy stworzyli ruchomy obraz stanu wirowania atomu, z klatką robioną co około pięć nanosekund.

Loth mówi, że naukowcy IBM mają nadzieję wykorzystać szybką technikę STM w dwóch podstawowych obszarach badań. Po pierwsze, będą nadal używać go do określania, czy różne kombinacje atomów mogą dłużej przechowywać informacje kwantowe. Po drugie, wykorzystując strumień fotonów zamiast strumienia elektronów jako sygnału impulsowego, mówi Loth, naukowcy mają nadzieję lepiej zrozumieć, w jaki sposób niektóre cząsteczki organiczne przekształcają światło w energię elektryczną. Może to prowadzić do lepszych ogniw słonecznych.

Systemy takie jak IBM do odwracania i pomiaru spinów atomowych mogą potencjalnie być częścią przyszłego komputera kwantowego, mówi Alan Aspuru-Guzik , profesor chemii i biologii chemicznej na Uniwersytecie Harvarda. Mówi, że zmiana i pomiar spinu atomów oraz możliwość przewidzenia zachowania atomów to ważny krok w kierunku tego celu. Jak mówi, większość dotychczasowych urządzeń przypomina bardziej zabawki kwantowe niż komputery. Ale pole stale posuwa się do przodu, mówi. Co tydzień ktoś demonstruje nieco lepsze manipulowanie kubitem.

ukryć