Om de immense belofte van kwantumcomputing waar te maken, zijn nieuwe ontwikkelingen op elk niveau nodig, inclusief de computerhardware zelf. Een door Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) geleid internationaal team van onderzoekers heeft een manier ontdekt om ionenbundels te gebruiken om lange reeksen "kleurcentrum"-qubits in diamant te creëren. Hun werk wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

De auteurs omvatten verschillende van Berkeley Lab:Arun Persaud, die de studie leidde, en Thomas Schenkel, hoofd van het Fusion Science &Ion Beam Technology Program van de Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division, evenals Casey Christian (nu met Berkeley Lab's Physics Division), Edward Barnard van Berkeley Lab's Molecular Foundry, en ATAP-filiaal Russell E. Lake.

Het creëren van grote aantallen hoogwaardige kwantumbits (qubits), dicht genoeg bij elkaar om aan elkaar te koppelen, is een van de grote uitdagingen van quantum computing. Samenwerken met collega's wereldwijd, het team heeft het gebruik van ionenbundels onderzocht om kunstmatige kleurcentra in diamant te creëren voor gebruik als qubits.

Kleurcentra zijn microscopische defecten - afwijkingen van de rigoureuze roosterstructuur van een kristal, zoals diamant. Het type defect dat specifiek van belang is voor qubits is een stikstofatoom naast een vacature, of lege ruimte, in een diamantrooster. (Stikstof wordt vaak aangetroffen in het kristalrooster van diamant, dat voornamelijk een kristallijne vorm van koolstof is, en kan bijdragen aan de kleur van de steen.)

Wanneer geëxciteerd door de snelle energieafzetting van een passerend ion, stikstof-leegstandscentra kunnen zich vormen in het diamantrooster. De elektron- en kernspins van stikstof-vacaturecentra en de aangrenzende koolstofatomen kunnen allemaal functioneren als vastestofqubits, en het kristalrooster kan helpen hun samenhang en onderlinge verstrengeling te beschermen.

Het resultaat is een fysiek duurzaam systeem dat niet in een cryogene omgeving hoeft te worden gebruikt, die aantrekkelijke eigenschappen zijn voor kwantumsensoren en ook voor qubits in dit type solid-state kwantumcomputer. Echter, genoeg qubits maken, en ze dicht genoeg bij elkaar te houden, een uitdaging geweest.

Wanneer snelle (hoogenergetische) zware ionen zoals de stralen die dit team gebruikte - goudionen met een kinetische energie van ongeveer een miljard elektronvolt - door een materiaal gaan, zoals met stikstof gedoteerde diamant, ze laten langs hun sporen een spoor van stikstofleegstandscentra achter. Kleurcentra bleken direct te vormen, zonder dat verder gloeien (warmtebehandeling) nodig is. Bovendien, ze vormden zich langs de ionensporen, in plaats van alleen aan het einde van het ionenbereik, zoals was verwacht uit eerdere studies met ionen met lagere energie. In deze rechte "percolatieketens, " kleurcentrum-qubits worden uitgelijnd over afstanden van tientallen microns, en zijn slechts een paar nanometer verwijderd van hun naaste buren. Een door Berkeley Lab's Molecular Foundry ontwikkelde techniek meet kleurcentra met diepteresolutie.

Het werk aan qubit-synthese ver van evenwicht werd ondersteund door het Department of Energy's Office of Science. De volgende stap in het onderzoek zal zijn om een ​​groep van deze kleurcentra fysiek uit te snijden - die zijn als een reeks kralen aan een touwtje - en laten zien dat ze inderdaad zo nauw met elkaar verbonden zijn dat ze als kwantumregisters kunnen worden gebruikt.

Resultaten die in het huidige artikel zijn gepubliceerd, laten zien dat het mogelijk zal zijn om kwantumregisters te vormen met maximaal ongeveer 10, 000 gekoppelde qubits - twee orden van grootte groter dan tot nu toe bereikt met de complementaire technologie van ionenvalqubits - over een afstand van ongeveer 50 micron (ongeveer de breedte van een mensenhaar).

"Interacties van snelle zware ionen met materialen zijn al tientallen jaren bestudeerd voor verschillende doeleinden, inclusief het gedrag van nucleair materiaal en de effecten van kosmische straling op elektronica, ' zei Schenkel.

Hij voegde eraan toe dat onderzoekers over de hele wereld hebben geprobeerd kwantummaterialen te maken door kunstmatig kleurcentra in diamant te induceren. "De solid-state benaderingen van hardware voor kwantumcomputers schalen prachtig, maar integratie was een uitdaging. Dit is de eerste keer dat directe vorming van kleurcentrum-qubits langs strings is waargenomen."

De sterren, zoals diamanten

Op een minuscule en kortstondige schaal (nanometers en picoseconden) produceert de afzetting van energie door de ionenstralen een toestand van hoge temperatuur, die Schenkel vergelijkt met het oppervlak van de zon, in het bereik van 5000 K, en druk. Naast het uitslaan van koolstofatomen uit het kristalrooster van diamant, dit effect zou fundamentele studies mogelijk kunnen maken van exotische toestanden van voorbijgaande warme dichte materie, een toestand van materie die aanwezig is in veel sterren en grote planeten en die moeilijk rechtstreeks op aarde te bestuderen is.

Het kan ook de vorming van nieuwe qubits mogelijk maken met op maat gemaakte eigenschappen die niet kunnen worden gevormd met conventionele methoden. "Dit opent een nieuwe richting voor het uitbreiden van ons vermogen om kwantumregisters te vormen, ’ zei Schenkel.

Momenteel, kleurcentrumsnaren worden gevormd met bundels van grote deeltjesversnellers, zoals die van het Duitse laboratorium GSI dat in dit onderzoek is gebruikt. In de toekomst, ze kunnen worden gemaakt met behulp van compacte laser-plasmaversnellers zoals die worden ontwikkeld in het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center.

Het BELLA Center ontwikkelt actief zijn ionenversnellingscapaciteiten met financiering door het DOE Office of Science. Deze mogelijkheden zullen worden gebruikt als onderdeel van LaserNetUS. Ionenpulsen van laser-plasmaversnelling zijn zeer intens en vergroten ons vermogen om voorbijgaande toestanden van zeer opgewonden en hete materialen voor qubit-synthese onder nieuwe omstandigheden aanzienlijk te vormen.

Meer facetten in materiaalkunde verre van evenwicht

Het proces van het maken van deze kleurcentra is op zichzelf al interessant en moet beter worden begrepen als onderdeel van verdere vooruitgang in deze toepassingen. De details van hoe een intense ionenstraal energie deponeert terwijl deze door de diamantmonsters gaat, en het exacte mechanisme waardoor dit leidt tot kleurcentrumvorming, interessante vooruitzichten bieden voor verder onderzoek.

"Dit werk demonstreert zowel de wetenschappelijke mogelijkheden voor ontdekkingen als het potentieel voor maatschappelijke transformatieve innovaties die mogelijk worden gemaakt door de stralen van versnellers, ", zegt ATAP-divisiedirecteur Cameron Geddes. "Met versnellers, we creëren unieke toestanden van materie en nieuwe mogelijkheden die op andere manieren niet mogelijk zijn."