Kwantumgedrag speelt een cruciale rol bij nieuwe en opkomende materiaaleigenschappen, zoals supergeleiding en magnetisme. Helaas, het is nog steeds onmogelijk om het onderliggende kwantumgedrag te berekenen, laat staan ​​volledig begrijpen. Wetenschappers van QuTech, het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen in Delft en TNO, in samenwerking met ETH Zürich en de Universiteit van Maryland, zijn er nu in geslaagd een "kunstmatig materiaal" te bouwen dat dit soort kwantumgedrag op kleine schaal nabootst. Daarbij, ze hebben de basis gelegd voor nieuwe inzichten en mogelijke toepassingen. Hun werk is vandaag gepubliceerd in Natuur .

In de afgelopen eeuw, een beter begrip van halfgeleidermaterialen heeft geleid tot veel technologische verbeteringen, zoals computerchips die steeds sneller en kleiner worden. We zijn, echter, geleidelijk de grenzen van de wet van Moore bereiken, de trend die elke twee jaar een verdubbeling van de rekenkracht voorspelt voor de helft van de prijs. Maar deze voorspelling negeert de mogelijkheid dat computers de kwantumfysica zouden kunnen gebruiken.

"Er valt nog zoveel natuurkunde te ontdekken als we materialen echt op de allerkleinste schaal willen begrijpen, " zegt Lieven Vandersypen, een professor aan de TU Delft in Nederland en de leidende experimentator op het nieuwe artikel. En die nieuwe fysica zal nog meer nieuwe technologie met zich meebrengen. "De moeilijkheid is dat op deze schaal, de kwantumtheorie bepaalt het gedrag van elektronen en het is vrijwel onmogelijk om dit gedrag nauwkeurig te berekenen, zelfs voor slechts een handvol elektronen, zelfs met de krachtigste supercomputers, ', zegt Vandersypen.

Wetenschappers combineren nu de kracht van de halfgeleiderindustrie met hun kennis van kwantumtechnologie om het gedrag van elektronen in materialen na te bootsen - een techniek die bekend staat als kwantumsimulatie. "Ik hoop dat, in de nabije toekomst, dit zal ons in staat stellen zoveel over materialen te leren dat we een aantal belangrijke deuren in technologie kunnen openen, zoals het ontwerp van supergeleiders bij kamertemperatuur, verliesvrij energietransport over lange afstanden mogelijk te maken, bijvoorbeeld, ', zegt Vandersypen.

De natuur nabootsen

Het is al lang bekend dat individuele elektronen kunnen worden beperkt tot kleine gebieden op een chip, bekend als kwantumdots. Er zijn, in principe, geschikt voor het onderzoeken van het gedrag en de interacties van elektronen in materialen. De gevangen elektronen kunnen bewegen, of tunnel, tussen de quantum dots op een gecontroleerde manier, terwijl ze interageren door de afstoting van hun negatieve ladingen. "Processen zoals deze in kwantumstippen, afgekoeld tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt, zijn perfect geschikt voor het simuleren van de elektronische eigenschappen van nieuwe materialen, " zegt Toivo Hensgens, een afgestudeerde student aan de TU Delft en de hoofdauteur van het artikel.

In praktijk, het is een grote uitdaging om de elektronen in quantum dots zo precies aan te sturen dat de onderliggende fysica zichtbaar wordt. Door onvolkomenheden in de kwantumchips en inefficiënte methoden om de elektronen in de stippen te controleren, is dit een bijzonder harde noot om te kraken.

Kwantumapparatuur

Onderzoekers hebben nu een methode gedemonstreerd die zowel effectief is als kan worden opgeschaald naar grotere aantallen quantum dots. Het aantal elektronen in elke quantum dot kan worden ingesteld van 0 tot 4 en de kans op tunneling tussen aangrenzende dots kan worden gevarieerd van verwaarloosbaar tot het punt waarop aangrenzende dots daadwerkelijk één grote dot worden. "We gebruiken spanningen om het (potentiële) landschap dat de elektronen voelen, te vervormen, " legt Hensgens uit. "Die spanning bepaalt het aantal elektronen in de stippen en de relatieve interacties daartussen."

In een kwantumchip met drie kwantumstippen, het QuTech-team heeft aangetoond dat ze in staat zijn om een ​​reeks materiële processen experimenteel te simuleren. Maar het belangrijkste resultaat is de methode die ze hebben aangetoond. "We zijn nu gemakkelijk in staat om meer kwantumstippen met elektronen toe te voegen en het potentiële landschap zodanig te beheersen dat we uiteindelijk zeer grote en interessante kwantumprocessen kunnen simuleren, ’ zegt Hensgens.

Het Vandersypen-team streeft ernaar om zo snel mogelijk verder te gaan naar meer kwantumdots. Om dat te bereiken, hij en zijn collega's zijn een nauwe samenwerking aangegaan met chipmaker Intel. "Hun kennis en expertise in de productie van halfgeleiders in combinatie met ons diepgaande begrip van kwantumcontrole biedt kansen die nu hun vruchten zullen afwerpen, " hij zegt.