Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Nieuwe technieken voor het maken van qubits uit erbium

Startup memQ activeert selectief erbium-qubits, waardoor het eenvoudiger wordt om apparaten met meerdere qubits te bedienen

Erbium is populair als qubit omdat het efficiënt kwantuminformatie kan verzenden via hetzelfde soort optische vezel dat internet- en telefoonlijnen kanaliseert; de elektronen zijn ook zo gerangschikt dat het bijzonder resistent is tegen het soort veranderingen in de omgeving waardoor een qubit zijn informatie kan verliezen.

Maar het groeiproces dat het erbium in het gastmateriaal brengt, verspreidt de atomen door het materiaal op een manier die de wetenschappers niet precies kunnen controleren, wat het moeilijk maakt om multi-qubit-apparaten te ontwerpen. In een geheel nieuwe techniek hebben wetenschappers van memQ een oplossing ontdekt:alleen bepaalde erbiumatomen "activeren" met een laser.

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Letters .

"We plaatsen het erbium niet echt op specifieke plekken, het erbium is verspreid door het materiaal", zegt Sean Sullivan, CTO en mede-oprichter van memQ, afgestudeerd aan Duality, de quantum startup-versneller, mede geleid door de Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation aan de Universiteit van Chicago en de CQE, samen met oprichters van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign, Argonne en P33.

"Maar door een laser te gebruiken, kunnen we de kristalstructuur in een bepaald gebied veranderen, en dat verandert de eigenschappen van erbium in dat gebied. We selecteren dus welk erbium we als qubits willen gebruiken."

De techniek is gebaseerd op de eigenschappen van het gastheermateriaal, titaniumdioxide (TiO2 ). Vanwege de symmetrie een kristalrooster van TiO2 heeft twee mogelijke configuraties. Een erbiumatoom dat in het rooster wordt ingebracht, communiceert op een andere frequentie, afhankelijk van de configuratie van TiO2 het zit erin.

In de techniek van memQ wordt erbium verspreid door een film van TiO2 dat is in één configuratie. Vervolgens wordt een krachtige laser gericht op het kristal rond bepaalde erbiumatomen, waardoor de TiO2 permanent wordt vervormd alleen op die locaties naar de andere configuratie. Nu kunnen de door de laser geselecteerde erbiumatomen allemaal op dezelfde frequentie communiceren, volledig gescheiden van de anderen.

De nieuwe procedure vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang op dit gebied van de kwantumtechnologie, bekend als solid-state technologie.

"Je kunt qubits niet op 100 willekeurige locaties gebruiken om iets nuttigs te bouwen", zegt Manish Singh, CEO en medeoprichter van memQ. "Met ons platform kunnen we kiezen welke erbium we willen gebruiken in de lay-out waarin we ze willen gebruiken, een mogelijkheid die de solid state-gemeenschap lange tijd heeft ontweken."

Argonne-wetenschapper bereikt lange erbium qubit-coherentietijden

Een cruciale maatstaf voor de effectiviteit van een qubit is de coherentietijd:de hoeveelheid tijd waarin kwantuminformatie kan worden vastgehouden. Dit is vooral van belang voor qubits die bedoeld zijn als kwantumgeheugen, het kwantumequivalent van klassiek computergeheugen. Maar coherentie is erg kwetsbaar:een qubit kan zijn coherentie verliezen door interactie met iets in zijn omgeving, zoals lucht of hitte.

Erbiumatomen kunnen kwantuminformatie vasthouden met behulp van hun elektronen, die een eigenschap hebben die 'spin' wordt genoemd. Een kern, de cluster van protonen en neutronen in het centrum van een atoom, heeft ook 'spin', en de spins van elektronen en kernen kunnen elkaar beïnvloeden. Een gebruikelijke manier waarop een erbiumqubit zijn kwantuminformatie verliest, is als zijn elektronenspin interageert met een nucleaire spin van een van de atomen eromheen.

Om deze reden zocht Argonne-onderzoeker Jiefei Zhang naar een gastheermateriaal voor erbium dat de laagst mogelijke kernspin had, maar dat ook haalbaar kon worden vervaardigd met meer traditionele siliciumtechnologieën. Ze vond het met een ander oxide, dit keer van een zeldzaam aardelement:ceriumdioxide, ook bekend als ceria (CeO2 ).

Cerium is het meest voorkomende zeldzame aardelement en wordt gebruikt als oxidatiemiddel en katalysator in de industriële chemie. In tegenstelling tot TiO2 , die meerdere mogelijke structurele configuraties heeft, CeO2 heeft er maar één, en is extreem symmetrisch. Hierdoor zijn erbium-qubits in CeO2 zijn stabieler.

"Twee verschillende erbiumqubits in ceria zullen dezelfde kristalomgeving zien", zei Zhang. "En dus is het heel gemakkelijk om ze tegelijkertijd te controleren, omdat ze zich op een vergelijkbare manier gedragen."

Met name de nieuwe lokalisatietechniek ontwikkeld door memQ is niet mogelijk met een zeer symmetrische kristalstructuur zoals CeO2 – maar Zhang kon langere coherentietijden van de erbium-qubits zien, met een potentieel zelfs nog langer naarmate ze het experiment verder ontwikkelden. Het werk is te vinden op de preprint-server arXiv .

"Er zijn zeker voor- en nadelen voor elk materiaal, en dat is heel gebruikelijk in kwantum," zei Zhang.

Meer informatie: Sean E. Sullivan et al, Quasi-deterministische lokalisatie van Er-emitters in dunne film TiO2 via kristallijne fasecontrole op submicronschaal, Technische Letters (2023). DOI:10.1063/5.0176610

Jiefei Zhang et al., Optische en spincoherentie van Er 3+ in epitaxiale CeO2 op silicium, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2309.16785

Journaalinformatie: arXiv , Brieven over toegepaste natuurkunde

Aangeboden door Universiteit van Chicago




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Het aanpakken van verborgen honger in ontwikkelingslanden:studie onderzoekt genetische informatie van gierst
  2. Hoeveel steenarenden zijn er?
  3. Deze vissen leven in vrieskoude wateren. Waarom worden er zoveel ziek?
  4. Wetenschappers onderzoeken de gevolgen voor de nationale veiligheid van genbewerking
  5. Evolutionaire geschiedenis vormt variatie in houtdichtheid:studie
  6. Waarom DNA de meest gunstige molecule is voor genetisch materiaal en hoe RNA zich hiermee verhoudt
  7. Science Fair Project Ideas: Equine
  8. Hoe kunstmatige intelligentie en big data kunnen helpen dieren in het wild te behouden
  9. Hoe maak je een 3D-tandmodel voor een schoolproject

Wetenschap