微小的移动粒子构成了我们物理世界中的一切 - 包括现代电子学，其功能依赖于带负电的电子的运动。物理学家努力了解推动这些粒子运动的力量，目标是利用新技术的力量。例如，量子计算机使用一组精确控制的电子来进行巨型计算任务。最近，冲绳科学技术研究生院(OIST)的研究人员展示了一种称为微波的光线如何切断电子的运动。这些发现可能有助于改进量子计算。

普通计算机以零和1运行，此二进制代码限制了计算机可以处理的信息量和类型。亚原子粒子可以存在于两个以上的离散状态，因此量子计算机利用电子来处理复杂数据并以鞭打速度执行功能。为了使电子处于不稳定状态，科学家捕获了粒子，并将它们暴露在改变其行为的力量之下。

在2018年12月18日发表于物理评论B的新研究中，OIST的研究人员将电子捕获在一个寒冷的真空密封室中并将它们置于微波炉中。粒子和光线改变了彼此的运动并交换了能量，这表明密封系统可能用于存储量子信息 - 未来的微芯片。

“这是向一个需要更多研究的项目迈出的一小步，”该论文的第一作者和由丹尼斯康斯坦丁诺夫教授领导的OIST量子动力学部门的研究生陈佳宝说。为了量子计算和存储量子信息，创造新的电子态。“

发送电子旋转

由快速，振荡的电场和磁场组成的光可以推动它在环境中遇到的带电物质。如果光以与遇到的电子相同的频率振动，光和粒子可以交换能量和信息。当发生这种情况时，光和电子的运动被“耦合”。如果能量交换比环境中的其他光物质相互作用更快地发生，则运动是“强耦合的”。在这里，科学家们开始使用微波实现强耦合状态。

“实现强耦合是利用光线对粒子进行量子力学控制的重要一步，”陈说。“如果我们想要产生一些非经典的物质状态，这可能很重要。”

为了清楚地观察强耦合，它有助于将电子与其环境中误导性的“信号噪声”隔离开来，这种信号在电子与附近物质碰撞或与热相互作用时产生。科学家研究了微波对半导体界面中电子的影响 - 半导体与绝缘体相遇，从而限制了电子向一个平面的运动。但半导体含有阻碍电子自然运动的杂质。

没有材料完全没有缺陷，因此量子动力学单元选择了另一种解决方案 - 在寒冷的真空密封室中隔离它们的电子，这些室配有两个反射微波的金属镜。

腔室，称为细胞的小圆柱形容器，每个容器包含一个液氦池，保持在接近绝对零度的温度。在这种极端温度下，氦气仍保持液态，但漂浮在物质内的任何杂质都会冻结并粘附在电池的两侧。电子与氦的表面结合，有效地形成二维片。然后，研究人员可以通过捕获细胞内两个镜子之间的光线，将等待的电子暴露在电磁辐射(如微波)中。

这个相对简单的系统揭示了微波对电子旋转的影响 - 这种影响在半导体中是不可见的。

“在我们的设置中，我们可以更清楚地确定物理现象的过程，”该论文的作者和量子动力学部门的博士后学者Oleksiy Zadorozhko博士说。“我们发现微波对电子运动有显着影响。”

加速量子计算

物理学家用数学方法描述了他们的发现，发现单个电子的速度，位置或总电荷的波动对强耦合效应几乎没有影响。相反，粒子和微波的平均运动似乎引发了它们之间的能量和信息交换。

研究人员希望，在未来，液氦系统将使他们能够精确控制电子，从而允许他们读取，写入和处理量子信息，类似于我们将标准数据存储在硬盘上的方式。随着对该系统的深入理解，量子动力学单元旨在改进量子比特的行业标准 - 量子信息。他们的努力可能会导致更快，更强大的量子技术的发展。