Een team onder leiding van de Universiteit van Melbourne heeft een techniek geperfectioneerd om afzonderlijke atomen één voor één in een siliciumwafer in te bedden. Hun technologie biedt het potentieel om kwantumcomputers te maken met dezelfde methoden die ons goedkope en betrouwbare conventionele apparaten met miljarden transistors hebben opgeleverd.

"We konden de elektronische klik 'horen' toen elk atoom in een van de 10.000 locaties in ons prototype-apparaat viel. Onze visie is om deze techniek te gebruiken om een ​​zeer, zeer grootschalig kwantumapparaat te bouwen", zegt professor David Jamieson van The University uit Melbourne, hoofdauteur van het Advanced Materials-artikel waarin het proces wordt beschreven.

Zijn co-auteurs zijn van UNSW Sydney, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM) en RMIT Microscopy and Microanalysis Facility.

"We geloven dat we uiteindelijk grootschalige machines kunnen maken op basis van kwantumbits met één atoom door onze methode te gebruiken en te profiteren van de productietechnieken die de halfgeleiderindustrie heeft geperfectioneerd", zegt hij.

Tot nu toe was het implanteren van atomen in silicium een ​​willekeurig proces, waarbij een siliciumchip wordt overladen met fosfor dat zich in een willekeurig patroon implanteert, zoals regendruppels op een raam.

"We hebben fosforionen ingebed, waarbij we ze elk nauwkeurig telden, in een siliciumsubstraat en creëerden een qubit-chip", die vervolgens kan worden gebruikt in laboratoriumexperimenten om ontwerpen voor grootschalige apparaten te testen."

"Dit stelt ons in staat om de kwantumlogische bewerkingen tussen grote arrays van individuele atomen te engineeren, waarbij zeer nauwkeurige bewerkingen over de hele processor behouden blijven", zegt Scientia-professor Andrea Morello van UNSW, een medeauteur van het artikel. "In plaats van veel atomen op willekeurige locaties te implanteren en de atomen te selecteren die het beste werken, worden ze nu in een geordende reeks geplaatst, vergelijkbaar met de transistors in conventionele halfgeleidercomputerchips."

"We hebben geavanceerde technologie gebruikt die is ontwikkeld voor gevoelige röntgendetectoren en een speciale atoomkrachtmicroscoop die oorspronkelijk is ontwikkeld voor de Rosetta-ruimtemissie, samen met een uitgebreid computermodel voor het traject van ionen die in silicium zijn geïmplanteerd, ontwikkeld in samenwerking met onze collega's in Duitsland," zegt Dr. Alexander (Melvin) Jakob, eerste auteur van het artikel, ook van de Universiteit van Melbourne.

Deze nieuwe techniek kan grootschalige patronen creëren van getelde atomen die worden gecontroleerd, zodat hun kwantumtoestanden kunnen worden gemanipuleerd, gekoppeld en uitgelezen.

De techniek die is ontwikkeld door professor Jamieson en zijn collega's maakt gebruik van de precisie van de atomaire krachtmicroscoop, die een scherpe cantilever heeft die zachtjes het oppervlak van een chip 'raakt' met een positioneringsnauwkeurigheid van slechts een halve nanometer, ongeveer hetzelfde als de afstand tussen atomen in een siliciumkristal.

Het team boorde een klein gaatje in deze cantilever, zodat wanneer het werd overspoeld met fosforatomen, men af ​​en toe door het gat zou vallen en zich in het siliciumsubstraat zou nestelen.

De sleutel was echter om precies te weten wanneer één atoom - en niet meer dan één - in het substraat was ingebed. Dan zou de cantilever naar de volgende precieze positie op de array kunnen bewegen.

Het team ontdekte dat de kinetische energie van het atoom terwijl het in het siliciumkristal ploegt en zijn energie door wrijving dissipeert, kan worden benut om een ​​kleine elektronische 'klik' te maken.

Zo weten ze dat er een atoom in het silicium is ingebed en kunnen ze naar de volgende precieze positie gaan.

"Een atoom dat tegen een stuk silicium botst, maakt een heel zwakke klik, maar we hebben zeer gevoelige elektronica uitgevonden die wordt gebruikt om de klik te detecteren, het wordt veel versterkt en geeft een luid signaal, een luid en betrouwbaar signaal", zegt professor Jamieson.

"Daardoor hebben we veel vertrouwen in onze methode. We kunnen zeggen:" Oh, er was een klik. Er is net een atoom aangekomen." Nu kunnen we de cantilever naar de volgende plek verplaatsen en wachten op het volgende atoom."

"Met onze Center-partners hebben we al baanbrekende resultaten geboekt op qubits met één atoom die met deze techniek zijn gemaakt, maar de nieuwe ontdekking zal ons werk op grootschalige apparaten versnellen", zegt hij.

Wat is kwantumcomputing en waarom is het belangrijk?

Kwantumcomputers voeren berekeningen uit door de verschillende toestanden van afzonderlijke atomen te gebruiken op de manier waarop conventionele computers bits gebruiken:de meest elementaire eenheid van digitale informatie.

Maar terwijl een bit maar twee mogelijke waarden heeft - 1 of 0, waar of onwaar - kan een kwantumbit, of qubit, in een superpositie van 0 en 1 worden geplaatst. Paren qubits kunnen in nog meer bijzondere superpositietoestanden worden geplaatst, zoals als "01 plus 10", genaamd verstrengelde toestanden. Door nog meer qubits toe te voegen, ontstaat een exponentieel groeiend aantal verstrengelde toestanden, die een krachtige computercode vormen die niet bestaat in klassieke computers. Deze exponentiële dichtheid van informatie geeft kwantumprocessors hun rekenvoordeel.

Deze fundamentele kwantummechanische eigenaardigheid heeft een groot potentieel om computers te maken die in staat zijn om bepaalde rekenproblemen op te lossen die conventionele computers onmogelijk zouden vinden vanwege hun complexiteit.

Praktische toepassingen zijn onder meer nieuwe manieren om tijdschema's en financiën te optimaliseren, onbreekbare cryptografie en computergestuurd medicijnontwerp, misschien zelfs de snelle ontwikkeling van nieuwe vaccins.

"Als je de structuur van het cafeïnemolecuul wilt berekenen, een zeer belangrijk molecuul voor de natuurkunde, kun je dat niet doen met een klassieke computer omdat er te veel elektronen zijn", zegt professor Jamieson.

"Al deze elektronen gehoorzamen aan de kwantumfysica en de Schrödinger-vergelijking. Maar als je de structuur van dat molecuul gaat berekenen, zijn er zoveel elektron-elektron-interacties dat zelfs de krachtigste supercomputers ter wereld dat niet kunnen.

"Een kwantumcomputer zou dat kunnen doen, maar je hebt veel qubits nodig omdat je willekeurige fouten moet corrigeren en een zeer gecompliceerde computercode moet uitvoeren."

Siliciumchips die arrays van enkelvoudige doteringsatomen bevatten, kunnen het materiaal bij uitstek zijn voor klassieke en kwantumapparaten die gebruikmaken van enkele donorspins. Zo zijn groep-V-donoren geïmplanteerd in isotopisch gezuiverde Si-kristallen aantrekkelijk voor grootschalige kwantumcomputers. Handige kenmerken zijn onder meer een lange levensduur van kern- en elektronenspin van P, hyperfijne klokovergangen in Bi of elektrisch regelbare Sb-kernspins.

Veelbelovende architecturen vereisen het vermogen om arrays van individuele doteringsatomen nabij het oppervlak te fabriceren met een hoge opbrengst. Hier wordt een on-chip detectorelektrodesysteem met 70 eV root-mean-square ruis (≈20 elektronen) gebruikt om implantatie bij kamertemperatuur van enkele 14 keV P+ ionen aan te tonen.

Het fysica-model voor de interactie tussen ionen en vaste stoffen vertoont een ongekende betrouwbaarheid van de detectie van enkelvoudige ionen aan de bovengrens van 99,85 ± 0,02% voor implantaten in de buurt van het oppervlak. Als gevolg hiervan wordt de praktisch gecontroleerde opbrengst van siliciumdotering beperkt door materiaaltechnische factoren, waaronder oppervlaktepoortoxiden waarin gedetecteerde ionen kunnen stoppen.

Voor een apparaat met 6 nm gate-oxide en 14 keV P+ implantaten wordt een opbrengstgrens van 98,1% aangetoond. Dunnere gate-oxiden laten deze limiet convergeren naar de bovengrens. Deterministische implantatie van één ion kan daarom een ​​haalbare strategie voor materiaaltechnologie zijn voor schaalbare doteringsarchitecturen in siliciumapparaten. + Verder verkennen

Er is een verstrengelde toestand van drie qubits gerealiseerd in een volledig controleerbare reeks spin-qubits in silicium