Al 60 jaar zijn computers kleiner geworden, sneller en goedkoper. Maar ingenieurs naderen de grenzen van hoe klein ze siliciumtransistors kunnen maken en hoe snel ze elektriciteit door apparaten kunnen duwen om digitale enen en nullen te maken.

Die beperking is de reden waarom professor Jelena Vuckovic, professor elektrotechniek van Stanford, op zoek is naar kwantumcomputers, die is gebaseerd op licht in plaats van elektriciteit. Quantumcomputers werken door draaiende elektronen te isoleren in een nieuw type halfgeleidermateriaal. Als een laser het elektron raakt, het onthult in welke richting het draait door een of meer quanta uit te zenden, of deeltjes, van licht. Die spin-statussen vervangen de enen en nullen van traditioneel computergebruik.

Vuckovic, die een van 's werelds toonaangevende onderzoekers op dit gebied is, dat kwantumcomputing ideaal is voor het bestuderen van biologische systemen, cryptografie of datamining doen - in feite, het oplossen van elk probleem met veel variabelen.

"Als mensen praten over het vinden van een speld in een hooiberg, dat is waar quantum computing om de hoek komt kijken, " ze zei.

Marina Radulaski, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Vuckovic, zei dat het probleemoplossend vermogen van kwantumcomputers voortkomt uit de complexiteit van de laser-elektron-interacties die de kern van het concept vormen.

"Bij elektronica heb je nullen en enen, "Zei Radulaski. "Maar wanneer de laser het elektron in een kwantumsysteem raakt, het creëert veel mogelijke spintoestanden, en dat grotere scala aan mogelijkheden vormt de basis voor meer complexe computing."

Elektronen vastleggen

Informatie benutten op basis van de interacties van licht en elektronen is makkelijker gezegd dan gedaan. Enkele van 's werelds toonaangevende technologiebedrijven proberen enorme kwantumcomputers te bouwen die afhankelijk zijn van materialen die supergekoeld zijn tot bijna het absolute nulpunt, de theoretische temperatuur waarbij atomen zouden ophouden te bewegen.

In haar eigen studies van bijna 20 jaar, Vuckovic heeft zich gericht op één aspect van de uitdaging:het creëren van nieuwe soorten kwantumcomputerchips die de bouwstenen van toekomstige systemen zouden worden.

"Om de belofte van kwantumcomputing volledig te realiseren, zullen we technologieën moeten ontwikkelen die in normale omgevingen kunnen werken, " zei ze. "De materialen die we onderzoeken, brengen ons dichter bij het vinden van de kwantumprocessor van morgen."

De uitdaging voor het team van Vuckovic is het ontwikkelen van materialen die een enkele, geïsoleerd elektron. Werken met medewerkers over de hele wereld, ze hebben onlangs drie verschillende benaderingen van het probleem getest, waarvan er één bij kamertemperatuur kan werken - een cruciale stap als kwantumcomputing een praktisch hulpmiddel wordt.

In alle drie de gevallen begon de groep met halfgeleiderkristallen, materiaal met een regelmatig atoomrooster zoals de liggers van een wolkenkrabber. Door dit rooster iets te veranderen, ze probeerden een structuur te creëren waarin de atomaire krachten die door het materiaal worden uitgeoefend, een ronddraaiend elektron konden opsluiten.

"We proberen de fundamentele werkeenheid van een kwantumchip te ontwikkelen, het equivalent van de transistor op een siliciumchip, ', zei Vuckovic.

Kwantumstippen

Een manier om deze laser-elektron-interactiekamer te maken, is via een structuur die bekend staat als een kwantumpunt. fysiek, de quantum dot is een kleine hoeveelheid indiumarsenide in een kristal van galliumarsenide. Het is bekend dat de atomaire eigenschappen van de twee materialen een ronddraaiend elektron vangen.

In een recent artikel in Nature Physics, Kevin Visser, een afgestudeerde student in het Vuckovic-lab, beschrijft hoe de laser-elektronprocessen binnen zo'n kwantumpunt kunnen worden benut om de invoer en uitvoer van licht te regelen. Door meer laservermogen naar de kwantumstip te sturen, de onderzoekers zouden het kunnen dwingen om precies twee fotonen uit te zenden in plaats van één. Ze zeggen dat de kwantumstip praktische voordelen heeft ten opzichte van andere toonaangevende kwantumcomputerplatforms, maar nog steeds cryogene koeling vereist. dus het is misschien niet handig voor algemene doeleinden. Echter, het zou toepassingen kunnen hebben bij het creëren van fraudebestendige communicatienetwerken.

Kleurcentra

In twee andere artikelen nam Vuckovic een andere benadering van elektronenvangst, door een enkel kristal aan te passen om licht op te sluiten in wat een kleurencentrum wordt genoemd.

In een recent artikel gepubliceerd in Nano-letters , haar team richtte zich op kleurcentra in diamant. In de natuur bestaat het kristalrooster van een diamant uit koolstofatomen. Jingyuan Linda Zhang, een afgestudeerde student in het laboratorium van Vuckovic, beschreef hoe een 16-koppig onderzoeksteam enkele van die koolstofatomen verving door siliciumatomen. Deze ene wijziging creëerde kleurcentra die spinnende elektronen effectief opsloten in het diamantrooster.

Maar net als de kwantumstip, de meeste experimenten met diamantkleurcentra vereisen cryogene koeling. Hoewel dat een verbetering is ten opzichte van andere benaderingen die een nog uitgebreidere koeling vereisten, Vuckovic wilde het beter doen.

Dus werkte ze met een ander wereldwijd team om te experimenteren met een derde materiaal, silicium carbide. Algemeen bekend als carborundum, siliciumcarbide is een hard, transparant kristal gebruikt om koppelingsplaten te maken, remblokken en kogelvrije vesten. Eerder onderzoek had aangetoond dat siliciumcarbide kan worden gemodificeerd om bij kamertemperatuur kleurcentra te creëren. Maar dit potentieel was nog niet efficiënt genoeg gemaakt om een ​​kwantumchip op te leveren.

Het team van Vuckovic heeft bepaalde siliciumatomen uit het siliciumcarbiderooster geslagen op een manier die zeer efficiënte kleurcentra creëerde. Ze fabriceerden ook nanodraadstructuren rond de kleurcentra om de extractie van fotonen te verbeteren. Radulaski was de eerste auteur van dat experiment, die wordt beschreven in een ander NanoLetters-papier. Ze zei dat de nettoresultaten – een efficiënt kleurencentrum, werkend bij kamertemperatuur, in een materiaal dat bekend is in de industrie – waren enorme pluspunten.

"We denken dat we een praktische benadering hebben aangetoond voor het maken van een kwantumchip, ' zei Radulaski.

Maar het veld staat nog in de kinderschoenen en het aftappen van elektronen is geen sinecure. Zelfs de onderzoekers weten niet zeker welke methode of methoden zullen winnen.

"We weten nog niet welke aanpak het beste is, dus we blijven experimenteren, ', zei Vuckovic.