|
Энергоэффективные квантовые вычисления
|
|
|
|
Исследователям из Ланкастерского университета и Университета Радбуда в Неймегене удалось генерировать распространяющиеся спиновые волны на наноуровне и обнаружить новый способ их модуляции и усиления. Их открытие, опубликованное в журнале Nature, может проложить путь к развитию квантовых информационных технологий без рассеяния энергии. Поскольку спиновые волны не связаны с электрическими токами, эти чипы будут свободны от связанных с ними потерь энергии. Стремительно растущая популярность искусственного интеллекта обусловлена растущим спросом на быстрые и энергоэффективные вычислительные устройства и требует новых способов хранения и обработки информации. Электрические токи в обычных устройствах приводят к потерям энергии и последующему нагреву окружающей среды. Одной из альтернатив электрическим токам с "потерями" является хранение и обработка информации в виде волн, используя спины электронов вместо их зарядов. Эти спины можно рассматривать как элементарные единицы магнитов.
|
|
|
|
Ведущий автор, доктор Ростислав Михайловский из Ланкастерского университета, сказал: "Наше открытие будет иметь важное значение для будущих вычислений на основе спиновых волн. Спиновые волны являются привлекательным носителем информации, поскольку они не связаны с электрическими токами и, следовательно, не страдают от потерь на сопротивление". Уже много лет известно, что спины могут отклоняться от своей равновесной ориентации. После этого возмущения спины начинают прецессировать (т.е. вращаться) вокруг своего положения равновесия. В магнитах соседние спины чрезвычайно сильно связаны, образуя суммарную намагниченность. Благодаря этой связи спиновая прецессия может распространяться в магнитном материале, порождая спиновую волну. "Многие группы по всему миру уже более десяти лет стремятся наблюдать нелинейное преобразование когерентных распространяющихся магнонов на наноуровне, что является необходимым условием для любой практической обработки данных на основе магнонов. Таким образом, наш эксперимент является важной вехой в изучении спиновых волн, которая потенциально может открыть совершенно новое направление исследований в области сверхбыстрой когерентной магноники с прицелом на развитие квантовых информационных технологий без диссипации".
|
|
|
Исследователи использовали тот факт, что максимально возможные частоты вращения спинов можно найти в материалах, в которых соседние спины наклонены относительно друг друга. Чтобы возбудить такую быструю динамику вращения, они использовали очень короткий световой импульс, длительность которого короче периода спиновой волны, то есть составляет менее триллионной доли секунды. Секрет генерации сверхбыстрой спиновой волны на наноуровне заключается в энергии фотонов светового импульса. Исследуемый материал демонстрирует чрезвычайно сильное поглощение при ультрафиолетовых (УФ) энергиях фотонов, что локализует возбуждение в очень тонкой области всего в нескольких десятках нанометров от границы раздела, что позволяет возникать спиновым волнам с терагерцовыми частотами (триллион Герц) и субмикрометровыми длинами волн. Динамика таких спиновых волн по своей сути нелинейна, а это означает, что волны с разными частотами и длинами волн могут преобразовываться друг в друга. Теперь исследователи впервые реализовали эту возможность на практике. Они добились этого, воздействуя на систему не одним, а двумя интенсивными лазерными импульсами, разделенными небольшой временной задержкой.
|
|
|
|
Первый автор Рубен Лендерс, бывший аспирант Ланкастерского университета, сказал: "В типичном эксперименте с возбуждением одним импульсом мы просто ожидали бы, что две спиновые волны будут интерферировать друг с другом, как это делают любые волны. Однако, изменяя временную задержку между двумя импульсами, мы обнаружили, что эта суперпозиция двух волн не выполняется". Команда объяснила свои наблюдения, рассмотрев связь уже возбужденной спиновой волны со вторым световым импульсом. Результатом этой связи является то, что, когда спины уже вращаются, второй световой импульс придает дополнительный импульс вращениям. Сила и направление этого импульса зависят от состояния отклонения спинов в момент поступления второго светового импульса. Этот механизм позволяет управлять свойствами спиновых волн, такими как их амплитуда и фаза, просто выбирая соответствующую временную задержку между возбуждениями.
|
|
|
|
Источник
|
