science >> Wetenschap >  >> Fysica

Op weg naar in massa produceerbare kwantumcomputers

Een team van onderzoekers van MIT, Harvard universiteit, en Sandia National Laboratories rapporteert een nieuwe techniek voor het creëren van gerichte defecten in diamantmaterialen, die eenvoudiger en nauwkeuriger is dan zijn voorgangers en zou kunnen profiteren van op diamanten gebaseerde kwantumcomputers. Krediet:Massachusetts Institute of Technology

Quantumcomputers zijn experimentele apparaten die grote versnellingen bieden bij sommige rekenproblemen. Een veelbelovende benadering om ze te bouwen, is het benutten van atomaire defecten op nanometerschaal in diamantmaterialen.

Maar praktisch, op diamanten gebaseerde kwantumcomputers zullen de mogelijkheid nodig hebben om die defecten op precieze locaties in complexe diamantstructuren te positioneren, waar de defecten kunnen functioneren als qubits, de basiseenheden van informatie in quantum computing. In de tijd van vandaag Natuurcommunicatie , een team van onderzoekers van MIT, Harvard universiteit, en Sandia National Laboratories rapporteert een nieuwe techniek voor het creëren van gerichte defecten, die eenvoudiger en nauwkeuriger is dan zijn voorgangers.

Bij experimenten, de door de techniek veroorzaakte gebreken waren, gemiddeld, binnen 50 nanometer van hun ideale locatie.

"Het droomscenario bij de verwerking van kwantuminformatie is om een ​​optisch circuit te maken om fotonische qubits te pendelen en vervolgens een kwantumgeheugen te plaatsen waar je het nodig hebt, " zegt Dirk Englund, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica die het MIT-team leidde. "Hiermee zijn we er bijna. Deze emitters zijn bijna perfect."

Het nieuwe artikel heeft 15 co-auteurs. Zeven zijn van MIT, waaronder Englund en eerste auteur Tim Schröder, die een postdoc was in het laboratorium van Englund toen het werk werd gedaan en nu een assistent-professor is aan het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen. Edward Bielejec leidde het Sandia-team, en professor natuurkunde Mikhail Lukin leidde het Harvard-team.

Aansprekende gebreken

Kwantumcomputers, die nog grotendeels hypothetisch zijn, gebruik maken van het fenomeen van kwantum "superpositie, " of het contra-intuïtieve vermogen van kleine deeltjes om tegelijkertijd tegenstrijdige fysieke toestanden te bewonen. Een elektron, bijvoorbeeld, kan worden gezegd dat het zich op meer dan één locatie tegelijkertijd bevindt, of om beide twee tegengestelde magnetische oriëntaties te hebben.

Waar een bit in een conventionele computer nul of één kan vertegenwoordigen, een "qubit, " of kwantumbit, kan nul vertegenwoordigen, een, of beide tegelijk. Het is het vermogen van strings van qubits om, In zekere zin, tegelijkertijd meerdere oplossingen onderzoeken voor een probleem dat rekenkundige versnellingen belooft.

Diamant-defect qubits zijn het resultaat van de combinatie van "vacatures, " dat zijn locaties in het kristalrooster van de diamant waar een koolstofatoom zou moeten zijn, maar er is er geen, en "dopeerstoffen, " Dit zijn atomen van andere materialen dan koolstof die hun weg naar het rooster hebben gevonden. Samen, de doteerstof en de vacature creëren een doteerstof-vacature "centrum, " waaraan vrije elektronen zijn gekoppeld. De magnetische oriëntatie van de elektronen, of "draai, " die in superpositie kan zijn, vormt de qubit.

Een eeuwigdurend probleem bij het ontwerp van kwantumcomputers is hoe je informatie uit qubits kunt lezen. Diamantdefecten vormen een eenvoudige oplossing, omdat ze natuurlijke lichtstralers zijn. In feite, de lichte deeltjes die worden uitgezonden door diamantdefecten kunnen de superpositie van de qubits behouden, zodat ze kwantuminformatie tussen kwantumcomputerapparaten konden verplaatsen.

Silicium schakelaar

Het meest bestudeerde diamantdefect is het stikstof-vacaturecentrum, die superpositie langer kan behouden dan elke andere kandidaat-qubit. Maar het zendt licht uit in een relatief breed spectrum van frequenties, wat kan leiden tot onnauwkeurigheden in de metingen waarop quantum computing is gebaseerd.

In hun nieuwe krant het MIT, Harvard, en Sandia-onderzoekers gebruiken in plaats daarvan silicium-vacaturecentra, die licht uitzenden in een zeer smalle band van frequenties. Ze behouden ook niet van nature superpositie, maar de theorie suggereert dat afkoeling tot temperaturen in het millikelvin-bereik - fracties van een graad boven het absolute nulpunt - dat probleem zou kunnen oplossen. (Qubits met stikstof-leegstandcentrum vereisen koeling tot een relatief zachte 4 kelvin.)

Om leesbaar te zijn, echter, de signalen van lichtemitterende qubits moeten worden versterkt, en het moet mogelijk zijn om ze te richten en te recombineren om berekeningen uit te voeren. Daarom is de mogelijkheid om defecten nauwkeurig te lokaliseren belangrijk:het is gemakkelijker om optische circuits in een diamant te etsen en de defecten vervolgens op de juiste plaatsen in te voegen dan om willekeurig defecten te creëren en vervolgens optische circuits eromheen te bouwen.

In het proces beschreven in het nieuwe document, de MIT- en Harvard-onderzoekers hebben eerst een synthetische diamant geschaafd totdat deze slechts 200 nanometer dik was. Daarna etsten ze optische holtes in het oppervlak van de diamant. Deze verhogen de helderheid van het door de defecten uitgestraalde licht (terwijl de emissietijden worden verkort).

Toen stuurden ze de diamant naar het Sandia-team, die een commercieel apparaat hebben aangepast, de Nano-Implanter genaamd, om stromen siliciumionen uit te stoten. De Sandia-onderzoekers vuurden 20 tot 30 siliciumionen in elk van de optische holtes in de diamant en stuurden deze terug naar Cambridge.

Mobiele vacatures

Op dit punt, slechts ongeveer 2 procent van de holtes had bijbehorende silicium-leegstandscentra. Maar de MIT- en Harvard-onderzoekers hebben ook processen ontwikkeld om de diamant te beschieten met elektronenbundels om meer vacatures te produceren, en dan de diamant verwarmen tot ongeveer 1, 000 graden Celsius, waardoor de vacatures rond het kristalrooster bewegen, zodat ze zich kunnen hechten aan siliciumatomen.

Nadat de onderzoekers de diamant aan deze twee processen hadden onderworpen, de opbrengst was vertienvoudigd, tot 20 procent. In principe, herhalingen van de processen zouden de opbrengst van silicium-leegstandscentra nog verder moeten verhogen.

Toen de onderzoekers de locaties van de silicium-vacaturecentra analyseerden, ze ontdekten dat ze zich binnen ongeveer 50 nanometer van hun optimale positie aan de rand van de holte bevonden. Dat vertaalde zich in uitgestraald licht dat ongeveer 85 tot 90 procent zo helder was als het maar kon zijn, wat nog erg goed is.