Mod masseproducerbare kvantecomputere

Kvantecomputere er eksperimentelle enheder, der tilbyder store hastigheder på nogle computerproblemer. En lovende tilgang til at bygge dem involverer at udnytte nanometerskala atomare defekter i diamantmaterialer.

Men praktisk, diamantbaserede kvanteberegningsenheder vil kræve evnen til at placere disse defekter på præcise steder i komplekse diamantstrukturer, hvor defekterne kan fungere som qubits, de grundlæggende informationsenheder i kvanteberegning. I dagens af Naturkommunikation , et team af forskere fra MIT, Harvard Universitet, og Sandia National Laboratories rapporterer en ny teknik til at skabe målrettede defekter, som er enklere og mere præcis end sine forgængere.

I eksperimenter, defekterne frembragt af teknikken var, gennemsnitlig, inden for 50 nanometer fra deres ideelle placeringer.

"Drømmescenariet inden for kvanteinformationsbehandling er at lave et optisk kredsløb til at shuttle fotoniske qubits og derefter placere en kvantehukommelse, hvor end du har brug for det, siger Dirk Englund, en lektor i elektroteknik og datalogi, der ledede MIT-teamet. "Vi er der næsten med det her. Disse emittere er næsten perfekte."

Det nye papir har 15 medforfattere. Syv er fra MIT, herunder Englund og førsteforfatter Tim Schröder, som var postdoc i Englunds laboratorium, da arbejdet blev udført og nu er adjunkt ved Københavns Universitets Niels Bohr Institut. Edward Bielejec ledede Sandia-holdet, og fysikprofessor Mikhail Lukin ledede Harvard-holdet.

Appellerende mangler

kvantecomputere, som stadig stort set er hypotetiske, udnytte fænomenet kvante "superposition, " eller små partiklers kontraintuitive evne til at leve i modstridende fysiske tilstande på samme tid. En elektron, for eksempel, kan siges at være på mere end ét sted samtidigt, eller at have begge to modsatte magnetiske orienteringer.

Hvor en bit i en konventionel computer kan repræsentere nul eller én, en "qubit, " eller kvantebit, kan repræsentere nul, en, eller begge dele på samme tid. Det er strenge af qubits evne til at i en eller anden forstand, udforske samtidig flere løsninger på et problem, der lover beregningshastigheder.

Diamantdefekte qubits skyldes kombinationen af ​​"ledige stillinger, "som er steder i diamantens krystalgitter, hvor der burde være et kulstofatom, men der ikke er et, og "dopanter, " som er atomer af andre materialer end kulstof, der har fundet vej ind i gitteret. Sammen, dopingmidlet og den ledige stilling opretter et dopant-ledige "center, " som har frie elektroner forbundet med sig. Elektronernes magnetiske orientering, eller "spin, "som kan være i superposition, udgør qubit.

Et flerårigt problem i designet af kvantecomputere er, hvordan man læser information ud af qubits. Diamantfejl er en simpel løsning, fordi de er naturlige lysudsender. Faktisk, de lette partikler, der udsendes af diamantdefekter, kan bevare overlejringen af ​​qubits, så de kunne flytte kvanteinformation mellem kvantecomputere.

Silicium switch

Den mest undersøgte diamantdefekt er kvælstof-vacancecentret, som kan opretholde superposition længere end nogen anden kandidat-qubit. Men den udsender lys i et relativt bredt spektrum af frekvenser, hvilket kan føre til unøjagtigheder i de målinger, som kvanteberegning er afhængig af.

I deres nye avis, MIT, Harvard, og Sandia-forskere bruger i stedet silicium-fritidscentre, som udsender lys i et meget smalt frekvensbånd. De opretholder ikke naturligt også superposition, men teori antyder, at nedkøling af dem til temperaturer i millikelvin-området - brøkdele af en grad over det absolutte nulpunkt - kunne løse det problem. (Nitrogen-vacancy-center qubits kræver afkøling til relativt milde 4 kelvin.)

For at være læsbar, imidlertid, signalerne fra lysemitterende qubits skal forstærkes, og det skal være muligt at dirigere dem og rekombinere dem for at udføre beregninger. Derfor er evnen til præcist at lokalisere defekter vigtig:Det er nemmere at ætse optiske kredsløb ind i en diamant og derefter indsætte defekterne de rigtige steder end at skabe defekter tilfældigt og så forsøge at konstruere optiske kredsløb omkring dem.

I processen beskrevet i det nye papir, MIT og Harvard-forskerne høvlede først en syntetisk diamant ned, indtil den kun var 200 nanometer tyk. Derefter ætsede de optiske hulrum ind i diamantens overflade. Disse øger lysstyrken af ​​det lys, der udsendes af defekterne (samtidig med at emissionstiderne forkortes).

Så sendte de diamanten til Sandia-holdet, som har tilpasset en kommerciel enhed kaldet Nano-Implanter til at udstøde strømme af siliciumioner. Sandia-forskerne affyrede 20 til 30 siliciumioner ind i hver af de optiske hulrum i diamanten og sendte den tilbage til Cambridge.

Mobile ledige stillinger

På dette tidspunkt, kun omkring 2 procent af hulrummene havde tilhørende silicium-fritidscentre. Men MIT- og Harvard-forskerne har også udviklet processer til at sprænge diamanten med elektronstråler for at producere flere ledige stillinger, og derefter opvarme diamanten til ca. 1, 000 grader Celsius, hvilket får de ledige pladser til at bevæge sig rundt i krystalgitteret, så de kan binde sig til siliciumatomer.

Efter at forskerne havde udsat diamanten for disse to processer, udbyttet var tidoblet, til 20 pct. I princippet, gentagelser af processerne skulle øge udbyttet af ledige centre for silicium yderligere.

Da forskerne analyserede placeringen af ​​de ledige centre for silicium, de fandt ud af, at de var inden for omkring 50 nanometer fra deres optimale positioner ved kanten af ​​hulrummet. Det oversat til udsendt lys, der var omkring 85 til 90 procent så klart, som det kunne være, hvilket stadig er meget godt.