Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Onderzoekers bedenken een nieuwe manier om diamant uit te rekken voor betere kwantumbits

Diamantdilatatie

Kwantumbits, of qubits, hebben unieke eigenschappen die ze interessant maken voor wetenschappers die op zoek zijn naar de toekomst van computernetwerken. Ze kunnen bijvoorbeeld vrijwel ongevoelig worden gemaakt voor hackpogingen. Maar er zijn nog aanzienlijke uitdagingen die moeten worden opgelost voordat het een wijdverspreide, alledaagse technologie kan worden.

Een van de belangrijkste problemen ligt bij de ‘knooppunten’ die informatie langs een kwantumnetwerk doorgeven. De qubits waaruit deze knooppunten bestaan, zijn zeer gevoelig voor hitte en trillingen, dus wetenschappers moeten ze afkoelen tot extreem lage temperaturen om te kunnen werken.

“De meeste qubits vereisen tegenwoordig een speciale koelkast ter grootte van een kamer en een team van hoogopgeleide mensen om deze te runnen, dus als je je een industrieel kwantumnetwerk voorstelt waar je er elke vijf tot tien kilometer één moet bouwen, dan moet je nu We hebben het over behoorlijk wat infrastructuur en arbeid", legt High uit.

Het High-lab werkte samen met onderzoekers van het Argonne National Laboratory, een nationaal laboratorium van het Amerikaanse ministerie van Energie dat is aangesloten bij UChicago, om te experimenteren met de materialen waaruit deze qubits zijn gemaakt, om te zien of ze de technologie konden verbeteren.

Een van de meest veelbelovende soorten qubits is gemaakt van diamanten. Deze qubits staan ​​bekend als Groep IV-kleurcentra en staan ​​bekend om hun vermogen om kwantumverstrengeling gedurende relatief lange perioden in stand te houden, maar om dit te doen moeten ze worden afgekoeld tot slechts een klein beetje boven het absolute nulpunt.

Het team wilde aan de structuur van het materiaal sleutelen om te zien welke verbeteringen ze konden aanbrengen – een moeilijke taak gezien de hardheid van diamanten. Maar de wetenschappers ontdekten dat ze de diamant op moleculair niveau konden ‘uitrekken’ als ze een dun laagje diamant over heet glas legden. Naarmate het glas afkoelt, krimpt het langzamer dan de diamant, waardoor de atomaire structuur van de diamant enigszins wordt uitgerekt, zoals bestrating uitzet of samentrekt naarmate de aarde eronder afkoelt of opwarmt, legt High uit.

Grote impact

Dit uitrekken heeft een dramatisch effect op hoe het materiaal zich gedraagt, ook al verplaatst het de atomen slechts in een oneindig klein deel uit elkaar.

Ten eerste kunnen de qubits nu hun coherentie behouden bij temperaturen tot 4 Kelvin (of -452 °F). Dat is nog steeds erg koud, maar het kan worden bereikt met minder gespecialiseerde apparatuur. "Het verschil in infrastructuur- en exploitatiekosten is een orde van grootte", aldus High.

Ten tweede maakt de verandering het ook mogelijk om de qubits met microgolven te besturen. Eerdere versies moesten licht in de optische golflengte gebruiken om informatie in te voeren en het systeem te manipuleren, wat ruis veroorzaakte en betekende dat de betrouwbaarheid niet perfect was. Door het nieuwe systeem en de magnetrons te gebruiken, steeg de betrouwbaarheid echter tot 99%.

Het is ongebruikelijk om tegelijkertijd verbeteringen op beide gebieden te zien, legt Xinghan Guo, een Ph.D. student natuurkunde in High's lab en eerste auteur op het papier.

"Als een systeem een ​​langere coherentielevensduur heeft, komt dat meestal doordat het goed is in het 'negeren' van inmenging van buitenaf - wat betekent dat het moeilijker te controleren is, omdat het zich tegen die inmenging verzet", zei hij. "Het is heel spannend dat we door een zeer fundamentele innovatie in de materiaalkunde te maken dit dilemma hebben kunnen overbruggen."

"Door inzicht te krijgen in de fysica die speelt bij Groep IV-kleurcentra in diamant, hebben we met succes hun eigenschappen kunnen afstemmen op de behoeften van kwantumtoepassingen", zegt Benjamin Pingault, wetenschapper van het Argonne National Laboratory, tevens co-auteur van het onderzoek.

"Met de combinatie van verlengde coherente tijd en haalbare kwantumcontrole via microgolven is de weg naar de ontwikkeling van op diamanten gebaseerde apparaten voor kwantumnetwerken duidelijk voor tinvacaturecentra", aldus Mete Atature, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Cambridge en co-auteur. over het onderzoek.

Meer informatie: Xinghan Guo et al., Op microgolven gebaseerde kwantumcontrole en coherentiebescherming van tin-vacancy-spinqubits in een op spanning afgestemde heterostructuur met diamantmembraan, Fysieke beoordeling X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041037

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling X

Aangeboden door Universiteit van Chicago




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe zijn fytoplankton reproductie?
  2. Studie vindt toename van herbicide bij oudere volwassenen
  3. Hoe planten reageren op hittestress
  4. Waarom is de studie van de histologie belangrijk in uw algehele begrip van anatomie en fysiologie?
  5. Welke landen hebben de kleinste persoonlijke ruimte?
  6. Sommige apen die vatbaar zijn voor isolatie
  7. Hoe gisten erin slagen de genetische onbalans van extra chromosomen te compenseren
  8. Combineer technologie en eeuwenoude tracking om de cheeta te redden
  9. Coyotes in New York City hoeven niet afhankelijk te zijn van menselijke voeding

Wetenschap